Fix typo
[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>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum.</para>
110
111           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
112         </listitem>
113       </varlistentry>
114
115       <varlistentry>
116         <term>
117           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>,<option>-fno-mono-pat-binds</option>:
118         </term>
119         <listitem>
120           <para> These two flags control how generalisation is done.
121             See <xref linkend="monomorphism"/>.
122           </para>
123         </listitem>
124       </varlistentry>
125
126       <varlistentry>
127         <term>
128           <option>-fextended-default-rules</option>:
129           <indexterm><primary><option>-fextended-default-rules</option></primary></indexterm>
130         </term>
131         <listitem>
132           <para> Use GHCi's extended default rules in a regular module (<xref linkend="extended-default-rules"/>).
133           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
134           flag. </para>
135         </listitem>
136       </varlistentry>
137
138       <varlistentry>
139         <term>
140           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
141           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
142         </term>
143         <term>
144           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
145           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
146         </term>
147         <term>
148           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
149           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
150         </term>
151         <term>
152           <option>-fcontext-stack=N</option>
153           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
154         </term>
155         <listitem>
156           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
157           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
158         </listitem>
159       </varlistentry>
160
161       <varlistentry>
162         <term>
163           <option>-finline-phase</option>
164           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
165         </term>
166         <listitem>
167           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
168           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
169         </listitem>
170       </varlistentry>
171
172       <varlistentry>
173         <term>
174           <option>-farrows</option>
175           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
176         </term>
177         <listitem>
178           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
179           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
180
181           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
182           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
183           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
184           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
185
186           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
187           <literal>|)</literal>.</para>
188         </listitem>
189       </varlistentry>
190
191       <varlistentry>
192         <term>
193           <option>-fgenerics</option>
194           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
195         </term>
196         <listitem>
197           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
198           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
199         </listitem>
200       </varlistentry>
201
202       <varlistentry>
203         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
204         <listitem>
205           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
206           option</primary></indexterm> GHC normally imports
207           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
208           rather it didn't, then give it a
209           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
210           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
211           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
212           namespace is flat, and you must not conflict with any
213           Prelude module.)</para>
214
215           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
216           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
217           Prelude types and values, as specified by the Haskell
218           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
219           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
220           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
221           translation for list comprehensions continues to use
222           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
223
224           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
225           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
226           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
227         </listitem>
228       </varlistentry>
229
230       <varlistentry>
231         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
232         <listitem>
233           <para>Enables implicit parameters (see <xref
234           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
235           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
236
237           <para>Syntax stolen:
238           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
239           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
247           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249         </listitem>
250       </varlistentry>
251
252       <varlistentry>
253         <term><option>-fth</option></term>
254         <listitem>
255           <para>Enables Template Haskell (see <xref
256           linkend="template-haskell"/>).  This flag must
257           be given explicitly; it is no longer implied by
258           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
259
260           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
261           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
262           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
263           <literal>$(</literal>,
264           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
265         </listitem>
266       </varlistentry>
267
268     </variablelist>
269   </sect1>
270
271 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
272 <!--    included from primitives.sgml  -->
273 <!-- &primitives; -->
274 <sect1 id="primitives">
275   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
276
277 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
278 While you really can use this stuff to write fast code,
279   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
280   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
281   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
282   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
283   about it.</para>
284
285 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
286 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
287 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
288 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
289
290 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
291 work over those types, is held in the file
292 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
293 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
294 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
295
296 <para> Indeed,
297 the result of such processing is part of the description of the 
298  <ulink
299       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
300          Core language</ulink>.
301 So that document is a good place to look for a type-set version.
302 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
303 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
304 we could include the results here in the User Guide.</para>
305
306 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
307   
308 <sect2 id="glasgow-unboxed">
309 <title>Unboxed types
310 </title>
311
312 <para>
313 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
314 </para>
315
316 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
317 that values of that type are represented by a pointer to a heap
318 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
319 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
320 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
321 allocation are involved.
322 </para>
323
324 <para>
325 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
326 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
327 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
328 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
329 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
330 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
331 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
332 know and love&mdash;usually one instruction.
333 </para>
334
335 <para>
336 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
337 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
338 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
339 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
340 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
341 </para>
342
343 <para>
344 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
345 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
346 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
347 a primitive value might be represented by a pointer to a
348 heap-allocated object.  Examples include
349 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
350 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
351 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
352 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
353 represents a primitive value, then it really does point to that value:
354 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
355 other end of the pointer than the primitive value.
356 A numerically-intensive program using unboxed types can
357 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
358 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
359 </para>
360
361 <para>
362 There are some restrictions on the use of primitive types:
363 <itemizedlist>
364 <listitem><para>The main restriction
365 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
366 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
367 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
368 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
369 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
370 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
371 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
372 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
373 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
374 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
375 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
376 </para>
377 </listitem>
378 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
379 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
380 </para></listitem>
381 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
382 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
383 </para></listitem>
384 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
385 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
386 pattern-match
387 to become strict.  For example:
388 <programlisting>
389   data Foo = Foo Int Int#
390
391   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
392 </programlisting>
393 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
394 match
395 is strict, and the program behaves as if you had written
396 <programlisting>
397   data Foo = Foo Int Int#
398
399   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
400 </programlisting>
401 </para>
402 </listitem>
403 </itemizedlist>
404 </para>
405
406 </sect2>
407
408 <sect2 id="unboxed-tuples">
409 <title>Unboxed Tuples
410 </title>
411
412 <para>
413 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
414 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
415 unboxed tuple looks like this:
416 </para>
417
418 <para>
419
420 <programlisting>
421 (# e_1, ..., e_n #)
422 </programlisting>
423
424 </para>
425
426 <para>
427 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
428 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
429 the same.
430 </para>
431
432 <para>
433 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
434 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
435 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
436 components are put directly into registers or on the stack; the
437 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
438 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
439 tuples.
440 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
441 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
442 </para>
443
444 <para>
445 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
446 <itemizedlist>
447 <listitem>
448
449 <para>
450 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
451 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
452 structures or passed to polymorphic functions.
453
454 </para>
455 </listitem>
456 <listitem>
457
458 <para>
459 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
460 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
461
462
463 <programlisting>
464   data Foo = Foo (# Int, Int #)
465
466   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
467   f x = x
468
469   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
470   g (# a,b #) = a
471
472   h x = let y = (# x,x #) in ...
473 </programlisting>
474 </para>
475 </listitem>
476 </itemizedlist>
477 </para>
478 <para>
479 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
480 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
481 <programlisting>
482   f x y = (# x+1, y-1 #)
483   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
484 </programlisting>
485 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
486 <programlisting>
487   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
488 </programlisting>
489 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
490 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
491 above example desugars like this:
492 <programlisting>
493   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
494             p = fst t
495             q = snd t
496         in ..body..
497 </programlisting>
498 Indeed, the bindings can even be recursive.
499 </para>
500
501 </sect2>
502 </sect1>
503
504
505 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
506
507 <sect1 id="syntax-extns">
508 <title>Syntactic extensions</title>
509  
510     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
511
512     <sect2 id="hierarchical-modules">
513       <title>Hierarchical Modules</title>
514
515       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
516       names: a module name is allowed to contain a dot
517       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
518       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
519       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
520       more flexible hierarchy of modules.</para>
521
522       <para>This extension has very little impact on the language
523       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
524       qualified, so you can just think of the fully qualified module
525       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
526       means that the full module name must be given after the
527       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
528       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
529       begin</para>
530
531 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
532
533
534       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
535       keyword to save some typing when using qualified names with
536       hierarchical modules.  For example:</para>
537
538 <programlisting>
539 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
540 </programlisting>
541
542       <para>For details on how GHC searches for source and interface
543       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
544       linkend="search-path"/>.</para>
545
546       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
547       hierarchically; see the accompanying library documentation.
548       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
549       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
550       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
551       current status of that project.  For more details, see <ulink
552       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
553       Libraries</ulink>.</para>
554
555     </sect2>
556
557     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
558
559 <sect2 id="pattern-guards">
560 <title>Pattern guards</title>
561
562 <para>
563 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
564 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.)
565 </para>
566
567 <para>
568 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
569 lookup operation:
570
571 <programlisting>
572 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
573 </programlisting>
574
575 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
576 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
577 </para>
578
579 <programlisting>
580 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
581 | otherwise  = var1 + var2
582 where
583   m1 = lookup env var1
584   m2 = lookup env var2
585   ok1 = maybeToBool m1
586   ok2 = maybeToBool m2
587   val1 = expectJust m1
588   val2 = expectJust m2
589 </programlisting>
590
591 <para>
592 The auxiliary functions are 
593 </para>
594
595 <programlisting>
596 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
597 maybeToBool (Just x) = True
598 maybeToBool Nothing  = False
599
600 expectJust :: Maybe a -&gt; a
601 expectJust (Just x) = x
602 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
603 </programlisting>
604
605 <para>
606 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
607 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
608 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
609 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
610 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
611 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
612 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
613 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
614 </para>
615
616 <para>
617 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
618 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
619 to write clunky would be to use case expressions:
620 </para>
621
622 <programlisting>
623 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
624   Nothing -&gt; fail
625   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
626     Nothing -&gt; fail
627     Just val2 -&gt; val1 + val2
628 where
629   fail = var1 + var2
630 </programlisting>
631
632 <para>
633 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
634 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
635 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
636 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
637 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
638 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
639 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
640 tends to become more and more indented. 
641 </para>
642
643 <para>
644 Here is how I would write clunky:
645 </para>
646
647 <programlisting>
648 clunky env var1 var1
649   | Just val1 &lt;- lookup env var1
650   , Just val2 &lt;- lookup env var2
651   = val1 + val2
652 ...other equations for clunky...
653 </programlisting>
654
655 <para>
656 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
657 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
658 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
659 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
660 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
661 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
662 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
663 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
664 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
665 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
666 </para>
667
668 <para>
669 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
670 with among the pattern guards.  For example:
671 </para>
672
673 <programlisting>
674 f x | [y] &lt;- x
675     , y > 3
676     , Just z &lt;- h y
677     = ...
678 </programlisting>
679
680 <para>
681 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
682 qualifier list has just one element, a boolean expression.
683 </para>
684 </sect2>
685
686     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
687
688 <sect2 id="mdo-notation">
689 <title>The recursive do-notation
690 </title>
691
692 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
693 "A recursive do for Haskell",
694 Levent Erkok, John Launchbury",
695 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
696 </para>
697 <para>
698 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
699 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
700 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
701 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
702 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
703 </para>
704 <para>
705 Here is a simple (yet contrived) example:
706 </para>
707 <programlisting>
708 import Control.Monad.Fix
709
710 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
711                return xs
712 </programlisting>
713 <para>
714 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
715 </para>
716
717 <para>
718 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
719 </para>
720 <programlisting>
721 class Monad m => MonadFix m where
722    mfix :: (a -> m a) -> m a
723 </programlisting>
724 <para>
725 The function <literal>mfix</literal>
726 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
727 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
728 For details, see the above mentioned reference.
729 </para>
730 <para>
731 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
732 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
733 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
734 </para>
735 <para>
736 There are three important points in using the recursive-do notation:
737 <itemizedlist>
738 <listitem><para>
739 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
740 than <literal>do</literal>).
741 </para></listitem>
742
743 <listitem><para>
744 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
745 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
746 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
747 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
748 </para></listitem>
749
750 <listitem><para>
751 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
752 </para></listitem>
753 </itemizedlist>
754 </para>
755
756 <para>
757 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
758 contains up to date information on recursive monadic bindings.
759 </para>
760
761 <para>
762 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
763 of the existing documents) used the name
764 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
765 This name is not supported by GHC.
766 </para>
767
768 </sect2>
769
770
771    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
772
773   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
774     <title>Parallel List Comprehensions</title>
775     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
776     </indexterm>
777     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
778     </indexterm>
779
780     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
781     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
782     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
783     extend this to include the zipWith family.</para>
784
785     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
786     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
787     example, the following zips together two lists:</para>
788
789 <programlisting>
790    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
791 </programlisting>
792
793     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
794     zip, in that the resulting list will have the same length as the
795     shortest branch.</para>
796
797     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
798     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
799
800     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
801
802 <programlisting>
803    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
804        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
805        ... 
806    ] 
807 </programlisting>
808
809     <para>This will be translated to: </para>
810
811 <programlisting>
812    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
813                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
814                                          ... 
815    ] 
816 </programlisting>
817
818     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
819     branches.</para>
820
821   </sect2>
822
823 <sect2 id="rebindable-syntax">
824 <title>Rebindable syntax</title>
825
826
827       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
828       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
829       with a home-grown version, for example.</para>
830
831             <para>You may want to define your own numeric class
832             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
833             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
834             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
835             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
836             the following pieces of built-in syntax to refer to
837             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
838             versions:
839
840             <itemizedlist>
841               <listitem>
842                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
843                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
844                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
845 </para> </listitem>         
846
847       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
848           except that the translation is 
849               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
850 </para> </listitem>         
851
852           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
853               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
854 </para> </listitem>         
855
856           <listitem><para>The subtraction operation, and the
857           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
858               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
859               </para></listitem>
860
861               <listitem>
862                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
863                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
864                 patterns, and expressions.
865               </para></listitem>
866
867               <listitem>
868           <para>"Do" notation is translated using whatever
869               functions <literal>(>>=)</literal>,
870               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
871               are in scope (not the Prelude
872               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
873               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
874
875               <listitem>
876                 <para>Arrow
877                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
878                 uses whatever <literal>arr</literal>,
879                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
880                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
881                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
882                 other constructs, the types of these functions must match the
883                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
884                 to use this, ask!
885               </para></listitem>
886             </itemizedlist>
887 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
888 even if that is a little unexpected. For emample, the 
889 static semantics of the literal <literal>368</literal>
890 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
891 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
892 <programlisting>
893 fromInteger :: Integer -> Integer
894 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
895 fromInteger :: Num a => a -> Integer
896 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
897 </programlisting>
898 </para>
899                 
900              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
901              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
902              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
903              you should be all right.</para>
904
905 </sect2>
906
907 <sect2 id="postfix-operators">
908 <title>Postfix operators</title>
909
910 <para>
911 GHC allows a small extension to the syntax of left operator sections, which
912 allows you to define postfix operators.  The extension is this:  the left section
913 <programlisting>
914   (e !)
915 </programlisting> 
916 is equivalent (from the point of view of both type checking and execution) to the expression
917 <programlisting>
918   ((!) e)
919 </programlisting> 
920 (for any expression <literal>e</literal> and operator <literal>(!)</literal>.
921 The strict Haskell 98 interpretation is that the section is equivalent to
922 <programlisting>
923   (\y -> (!) e y)
924 </programlisting> 
925 That is, the operator must be a function of two arguments.  GHC allows it to
926 take only one argument, and that in turn allows you to write the function
927 postfix.
928 </para>
929 <para>Since this extension goes beyond Haskell 98, it should really be enabled
930 by a flag; but in fact it is enabled all the time.  (No Haskell 98 programs
931 change their behaviour, of course.)
932 </para>
933 <para>The extension does not extend to the left-hand side of function
934 definitions; you must define such a function in prefix form.</para>
935
936 </sect2>
937
938 </sect1>
939
940
941 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
942 <sect1 id="type-extensions">
943 <title>Type system extensions</title>
944
945
946 <sect2>
947 <title>Data types and type synonyms</title>
948
949 <sect3 id="nullary-types">
950 <title>Data types with no constructors</title>
951
952 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
953 a data type with no constructors.  For example:</para>
954
955 <programlisting>
956   data S      -- S :: *
957   data T a    -- T :: * -> *
958 </programlisting>
959
960 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
961 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
962 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
963 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
964
965 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
966 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
967 </sect3>
968
969 <sect3 id="infix-tycons">
970 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
971
972 <para>
973 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
974 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
975 <itemizedlist>
976 <listitem><para>
977   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
978   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
979   </para></listitem>
980 <listitem><para>
981   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
982   if you want further arguments.  E.g.
983 <screen>
984   data a :*: b = Foo a b
985   type a :+: b = Either a b
986   class a :=: b where ...
987
988   data (a :**: b) x = Baz a b x
989   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
990 </screen>
991   </para></listitem>
992 <listitem><para>
993   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
994   <screen>
995         x :: Int :*: Bool
996         f :: (a :=: b) => a -> b
997   </screen>
998   </para></listitem>
999 <listitem><para>
1000   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
1001   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
1002   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
1003   parenthesised.  For example:
1004 <programlisting>
1005    type T (+) = Int + Int
1006    f :: T Either
1007    f = Left 3
1008  
1009    liftA2 :: Arrow (~>)
1010           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
1011    liftA2 = ...
1012 </programlisting>
1013   </para></listitem>
1014 <listitem><para>
1015   Back-quotes work
1016   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
1017   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
1018   </para></listitem>
1019 <listitem><para>
1020   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
1021   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
1022   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
1023 <screen>
1024   infixl 7 T, :*:
1025 </screen>
1026   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
1027   and similarly for <literal>:*:</literal>.
1028   <literal>Int `a` Bool</literal>.
1029   </para></listitem>
1030 <listitem><para>
1031   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
1032   </para></listitem>
1033
1034 </itemizedlist>
1035 </para>
1036 </sect3>
1037
1038 <sect3 id="type-synonyms">
1039 <title>Liberalised type synonyms</title>
1040
1041 <para>
1042 Type synonyms are like macros at the type level, and
1043 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1044 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1045 <itemizedlist>
1046 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1047 in a type synonym, thus:
1048 <programlisting>
1049   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1050
1051   f :: Discard a
1052   f x y = (x, show y)
1053
1054   g :: Discard Int -> (Int,String)    -- A rank-2 type
1055   g f = f 3 True
1056 </programlisting>
1057 </para>
1058 </listitem>
1059
1060 <listitem><para>
1061 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1062 <programlisting>
1063   type Pr = (# Int, Int #)
1064
1065   h :: Int -> Pr
1066   h x = (# x, x #)
1067 </programlisting>
1068 </para></listitem>
1069
1070 <listitem><para>
1071 You can apply a type synonym to a forall type:
1072 <programlisting>
1073   type Foo a = a -> a -> Bool
1074  
1075   f :: Foo (forall b. b->b)
1076 </programlisting>
1077 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1078 <programlisting>
1079   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1080 </programlisting>
1081 </para></listitem>
1082
1083 <listitem><para>
1084 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1085 <programlisting>
1086   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1087   type Id x = x
1088   
1089   foo :: Generic Id []
1090 </programlisting>
1091 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1092 <programlisting>
1093   foo :: forall x. x -> [x]
1094 </programlisting>
1095 </para></listitem>
1096
1097 </itemizedlist>
1098 </para>
1099
1100 <para>
1101 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1102 could be changed.)
1103 </para>
1104 <para>
1105 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1106 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1107 <itemizedlist>
1108 <listitem><para>
1109 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1110 </para></listitem>
1111 <listitem><para>
1112 Unboxed tuple on left of an arrow.
1113 </para></listitem>
1114 <listitem><para>
1115 Partially-applied type synonym.
1116 </para></listitem>
1117 </itemizedlist>
1118 So, for example,
1119 this will be rejected:
1120 <programlisting>
1121   type Pr = (# Int, Int #)
1122
1123   h :: Pr -> Int
1124   h x = ...
1125 </programlisting>
1126 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1127 </para>
1128 </sect3>
1129
1130
1131 <sect3 id="existential-quantification">
1132 <title>Existentially quantified data constructors
1133 </title>
1134
1135 <para>
1136 The idea of using existential quantification in data type declarations
1137 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1138 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1139 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1140 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1141 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1142 It's been in Lennart
1143 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1144 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1145 </para>
1146
1147 <para>
1148
1149 <programlisting>
1150   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1151            | Nil
1152 </programlisting>
1153
1154 </para>
1155
1156 <para>
1157 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161
1162 <programlisting>
1163   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1164   Nil   :: Foo
1165 </programlisting>
1166
1167 </para>
1168
1169 <para>
1170 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1171 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1172 For example, the following expression is fine:
1173 </para>
1174
1175 <para>
1176
1177 <programlisting>
1178   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1179 </programlisting>
1180
1181 </para>
1182
1183 <para>
1184 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1185 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1186 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1187 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1188 </para>
1189
1190 <para>
1191 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1192 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1193 </para>
1194
1195 <para>
1196
1197 <programlisting>
1198   f (MkFoo val fn) = ???
1199 </programlisting>
1200
1201 </para>
1202
1203 <para>
1204 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1205 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1206 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1207 </para>
1208
1209 <para>
1210
1211 <programlisting>
1212   f :: Foo -> Bool
1213   f (MkFoo val fn) = fn val
1214 </programlisting>
1215
1216 </para>
1217
1218 <para>
1219 What this allows us to do is to package heterogenous values
1220 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1221 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1222 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1223 </para>
1224
1225 <sect4 id="existential">
1226 <title>Why existential?
1227 </title>
1228
1229 <para>
1230 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1231 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235
1236 <programlisting>
1237   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1238 </programlisting>
1239
1240 </para>
1241
1242 <para>
1243 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1244 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1245 adding a new existential quantification construct.
1246 </para>
1247
1248 </sect4>
1249
1250 <sect4>
1251 <title>Type classes</title>
1252
1253 <para>
1254 An easy extension is to allow
1255 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1256 </para>
1257
1258 <para>
1259
1260 <programlisting>
1261 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1262          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1263 </programlisting>
1264
1265 </para>
1266
1267 <para>
1268 The two constructors have the types you'd expect:
1269 </para>
1270
1271 <para>
1272
1273 <programlisting>
1274 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1275 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1276 </programlisting>
1277
1278 </para>
1279
1280 <para>
1281 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1282 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1283 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1284 So this program is legal:
1285 </para>
1286
1287 <para>
1288
1289 <programlisting>
1290   f :: Baz -> String
1291   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1292                | otherwise = "No"
1293   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1294 </programlisting>
1295
1296 </para>
1297
1298 <para>
1299 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1300 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1301 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1302 extract it on pattern matching.
1303 </para>
1304
1305 <para>
1306 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1307 universal quantification earlier.
1308 </para>
1309
1310 </sect4>
1311
1312 <sect4>
1313 <title>Record Constructors</title>
1314
1315 <para>
1316 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1317
1318 <programlisting>
1319 data Counter a = forall self. NewCounter
1320     { _this    :: self
1321     , _inc     :: self -> self
1322     , _display :: self -> IO ()
1323     , tag      :: a
1324     }
1325 </programlisting>
1326 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1327 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1328 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1329 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1330 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1331 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1332 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1333 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1334 </para>
1335
1336 <para>
1337 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1338
1339 <programlisting>
1340 inc :: Counter a -> Counter a
1341 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1342     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1343
1344 display :: Counter a -> IO ()
1345 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1346 </programlisting>
1347
1348 Now we can define counters with different underlying implementations:
1349
1350 <programlisting>
1351 counterA :: Counter String 
1352 counterA = NewCounter
1353     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1354
1355 counterB :: Counter String 
1356 counterB = NewCounter
1357     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1358
1359 main = do
1360     display (inc counterA)         -- prints "1"
1361     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1362 </programlisting>
1363
1364 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1365 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1366 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1367
1368 <programlisting>
1369 data Counter a where
1370     NewCounter { _this    :: self
1371                , _inc     :: self -> self
1372                , _display :: self -> IO ()
1373                , tag      :: a
1374                }
1375         :: Counter a
1376 </programlisting>
1377
1378 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1379 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1380
1381 <programlisting>
1382 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1383 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1384 setTag obj t = obj{ tag = t }
1385 </programlisting>
1386
1387 </para>
1388
1389 </sect4>
1390
1391
1392 <sect4>
1393 <title>Restrictions</title>
1394
1395 <para>
1396 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1397 constructors can be use.
1398 </para>
1399
1400 <para>
1401
1402 <itemizedlist>
1403 <listitem>
1404
1405 <para>
1406  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1407 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1408 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1409 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1410
1411
1412 <programlisting>
1413 f1 (MkFoo a f) = a
1414 </programlisting>
1415
1416
1417 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1418 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1419 ask what type <function>f1</function> has:
1420
1421
1422 <programlisting>
1423   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1424 </programlisting>
1425
1426
1427 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1428 this:
1429
1430
1431 <programlisting>
1432   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1433 </programlisting>
1434
1435
1436 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1437
1438
1439 <programlisting>
1440   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1441 </programlisting>
1442
1443
1444 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1445 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1446 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1447
1448
1449 </para>
1450 </listitem>
1451 <listitem>
1452
1453 <para>
1454 You can't pattern-match on an existentially quantified
1455 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1456 bindings. So this is illegal:
1457
1458
1459 <programlisting>
1460   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1461 </programlisting>
1462
1463 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1464
1465 <programlisting>
1466   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1467 </programlisting>
1468
1469 In general, you can only pattern-match
1470 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1471 in the patterns of a function definition.
1472
1473 The reason for this restriction is really an implementation one.
1474 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1475 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1476 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1477 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1478 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1479 annoying it is.
1480
1481 </para>
1482 </listitem>
1483 <listitem>
1484
1485 <para>
1486 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1487 declarations.  So this is illegal:
1488
1489
1490 <programlisting>
1491   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1492 </programlisting>
1493
1494
1495 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1496 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1497 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1498 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1499 You can get just the same efficiency and effect by using
1500 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1501 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1502 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1503 because the <literal>data</literal> version does carry an
1504 implementation cost, but single-field existentially quantified
1505 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1506 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1507 are convincing reasons to change it.
1508
1509
1510 </para>
1511 </listitem>
1512 <listitem>
1513
1514 <para>
1515  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1516 data type with existentially quantified data constructors.
1517
1518 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1519
1520 <programlisting>
1521 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1522 </programlisting>
1523
1524 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1525 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1526
1527 <programlisting>
1528 instance Eq T where
1529   (MkT a) == (MkT b) = ???
1530 </programlisting>
1531
1532 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1533 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1534 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1535 declarations.  Define your own instances!
1536 </para>
1537 </listitem>
1538
1539 </itemizedlist>
1540
1541 </para>
1542
1543 </sect4>
1544 </sect3>
1545
1546 </sect2>
1547
1548
1549
1550 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1551 <title>Class declarations</title>
1552
1553 <para>
1554 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1555 There's lots of background in the paper <ulink
1556 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1557 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1558 Jones, Erik Meijer).
1559 </para>
1560 <para>
1561 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1562 </para>
1563
1564 <sect3>
1565 <title>Multi-parameter type classes</title>
1566 <para>
1567 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1568
1569
1570 <programlisting>
1571   class Collection c a where
1572     union :: c a -> c a -> c a
1573     ...etc.
1574 </programlisting>
1575
1576 </para>
1577 </sect3>
1578
1579 <sect3>
1580 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1581
1582 <para>
1583 There are no restrictions on the context in a class declaration
1584 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1585 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1586
1587
1588 <programlisting>
1589   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1590     ...
1591
1592   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1593     lift :: m a -> (t m) a
1594 </programlisting>
1595
1596
1597 </para>
1598 <para>
1599 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1600 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1601 this is OK:
1602
1603
1604 <programlisting>
1605   class C a where {
1606     op :: D b => a -> b -> b
1607   }
1608
1609   class C a => D a where { ... }
1610 </programlisting>
1611
1612
1613 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1614 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1615 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1616 </para>
1617 </sect3>
1618
1619
1620
1621
1622 <sect3 id="class-method-types">
1623 <title>Class method types</title>
1624
1625 <para>
1626 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1627 class type variable, thus:
1628 <programlisting>
1629   class Seq s a where
1630     fromList :: [a] -> s a
1631     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1632 </programlisting>
1633 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1634 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1635 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1636 GHC lifts this restriction.
1637 </para>
1638
1639
1640 </sect3>
1641 </sect2>
1642
1643 <sect2 id="functional-dependencies">
1644 <title>Functional dependencies
1645 </title>
1646
1647 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1648 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1649 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1650 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1651 .
1652 </para>
1653 <para>
1654 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1655 class declaration;  e.g. 
1656 <programlisting>
1657   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1658
1659   class Foo a b c | a b -> c where ...
1660 </programlisting>
1661 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1662 </para>
1663
1664 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1665 <para>
1666 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1667 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1668 from the free variables of each method type.
1669 For example:
1670
1671 <programlisting>
1672   class Coll s a where
1673     empty  :: s
1674     insert :: s -> a -> s
1675 </programlisting>
1676
1677 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1678 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1679 reachable:
1680 <programlisting>
1681   class Coll s a | s -> a where
1682     empty  :: s
1683     insert :: s -> a -> s
1684 </programlisting>
1685
1686 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1687
1688 <programlisting>
1689   class Coll s a where
1690     empty  :: s a
1691     insert :: s a -> a -> s a
1692 </programlisting>
1693
1694
1695 which makes the connection between the type of a collection of
1696 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1697 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1698 class like this:
1699
1700
1701 <programlisting>
1702   class CollE s where
1703     empty  :: s
1704
1705   class CollE s => Coll s a where
1706     insert :: s -> a -> s
1707 </programlisting>
1708 </para>
1709 </sect3>
1710
1711
1712 <sect3>
1713 <title>Background on functional dependencies</title>
1714
1715 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1716 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1717 permission of Mark Jones.
1718 </para>
1719 <para> 
1720 Consider the following class, intended as part of a
1721 library for collection types:
1722 <programlisting>
1723    class Collects e ce where
1724        empty  :: ce
1725        insert :: e -> ce -> ce
1726        member :: e -> ce -> Bool
1727 </programlisting>
1728 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1729 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1730 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1731 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1732 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1733 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1734 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1735 <programlisting>
1736    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1737    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1738    instance Collects Char BitSet where ...
1739    instance (Hashable e, Collects a ce)
1740               => Collects e (Array Int ce) where ...
1741 </programlisting>
1742 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1743 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1744 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1745 <programlisting>
1746    empty :: Collects e ce => ce
1747 </programlisting>
1748 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1749 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1750 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1751 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1752 type.
1753 </para>
1754 <para>
1755 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1756 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1757 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1758 them. For example, consider the following two functions: 
1759 <programlisting>
1760    f x y = insert x . insert y
1761    g     = f True 'a'
1762 </programlisting>
1763 for which GHC infers the following types: 
1764 <programlisting>
1765    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1766    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1767 </programlisting>
1768 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1769 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1770 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1771 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1772 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1773 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1774 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1775 might even be in a different module.
1776 </para>
1777
1778 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1779
1780 <para>
1781 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1782 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1783 <programlisting>
1784    class Collects e c where
1785       empty  :: c e
1786       insert :: e -> c e -> c e
1787       member :: e -> c e -> Bool
1788 </programlisting>
1789 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1790 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1791 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1792 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1793 e</literal>, which is not ambiguous. 
1794 </para>
1795 <para>
1796 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1797 <programlisting>
1798    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1799 </programlisting>
1800 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1801 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1802 different types. 
1803 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1804 quite well in practice, without ambiguity problems.
1805 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1806 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1807 for <literal>Collects</literal>
1808 given above can be used with this version of Collects because only one of
1809 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1810 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1811 </para>
1812 </sect4>
1813
1814 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1815
1816 <para>
1817 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1818 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1819 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1820 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1821 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1822 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1823 later framework for "improvement" of qualified types. The
1824 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1825 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1826 general design space for systems of implicit parameterization.).
1827
1828 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1829 <programlisting>
1830    class C a b where ...
1831 </programlisting>
1832 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1833 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1834 included in the definition of classes to add information about dependencies
1835 between parameters, as in the following examples: 
1836 <programlisting>
1837    class D a b | a -> b where ...
1838    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1839 </programlisting>
1840 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1841 symbols --- not to be
1842 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1843 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1844 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1845 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1846 represents a (partial) one-one mapping between types.
1847 </para>
1848 <para>
1849 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1850 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1851 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1852 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1853 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1854 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1855 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1856 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1857 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1858 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1859 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1860 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1861 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1862 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1863  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1864 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1865 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1866 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1867 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1868 unchanged.
1869 </para>
1870 <para>
1871 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1872 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1873 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1874 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1875 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1876 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1877 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1878 <programlisting>
1879    instance D Bool Int where ...
1880    instance D Bool Char where ...
1881 </programlisting>
1882 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1883 <programlisting>
1884    instance D [a] b where ...
1885 </programlisting>
1886 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1887 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1888 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1889 in any instance of the form: 
1890 <programlisting>
1891    instance D t s where ...
1892 </programlisting>
1893 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1894 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1895 uniquely determined.
1896 </para>
1897 <para>
1898 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1899 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1900 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1901 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1902 with a simple dependency: 
1903 <programlisting>
1904    class Collects e ce | ce -> e where
1905       empty  :: ce
1906       insert :: e -> ce -> ce
1907       member :: e -> ce -> Bool
1908 </programlisting>
1909 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1910 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1911 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1912 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1913 together with this new definition.
1914 </para>
1915 <para>
1916 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1917 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1918 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1919 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1920 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1921 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1922 give enough information to determine types for both ce and e, without
1923 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1924 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1925 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1926 </para>
1927 <para>
1928 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1929 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1930 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1931 function f: 
1932 <programlisting>
1933    f x y = insert x y = insert x . insert y
1934 </programlisting>
1935 for which we originally obtained a type: 
1936 <programlisting>
1937    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1938 </programlisting>
1939 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1940 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1941 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1942 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1943 <programlisting>
1944    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1945 </programlisting>
1946 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1947 </para>
1948 <para>
1949 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1950 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1951 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1952 sets of instance declarations.
1953 </para>
1954 </sect4>
1955 </sect3>
1956 </sect2>
1957
1958 <sect2 id="instance-decls">
1959 <title>Instance declarations</title>
1960
1961 <sect3 id="instance-rules">
1962 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1963
1964 <para>An instance declaration has the form
1965 <screen>
1966   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 ...
1967 </screen>
1968 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1969 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1970 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1971 </para>
1972
1973 <para>
1974 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1975 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1976 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1977 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1978 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration
1979 must be of the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal>
1980 is a type variable that occurs in the head.
1981 </para>
1982 <para>
1983 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1984 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1985 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1986 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1987 following rules:
1988 <orderedlist>
1989 <listitem><para>
1990 For each assertion in the context:
1991 <orderedlist>
1992 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1993 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1994       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1995 </orderedlist>
1996 </para></listitem>
1997
1998 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1999 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
2000 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
2001 every type variable in
2002 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
2003 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
2004 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
2005 corresponding type in the instance declaration.
2006 </para></listitem>
2007 </orderedlist>
2008 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
2009 step makes the problem smaller by at least one
2010 constructor.  For example, the following would make the type checker
2011 loop if it wasn't excluded:
2012 <programlisting>
2013   instance C a => C a where ...
2014 </programlisting>
2015 For example, these are OK:
2016 <programlisting>
2017   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
2018   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
2019
2020       -- Repeated type variable in head
2021   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
2022   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
2023
2024       -- Head can consist of type variables only
2025   instance C a
2026   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
2027
2028       -- Non-type variables in context
2029   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
2030   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
2031   instance C2 Int a => C3 [a] b
2032 </programlisting>
2033 But these are not:
2034 <programlisting>
2035       -- Context assertion no smaller than head
2036   instance C a => C a where ...
2037       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
2038   instance C b b => Foo [b] where ...
2039 </programlisting>
2040 </para>
2041
2042 <para>
2043 The same restrictions apply to instances generated by
2044 <literal>deriving</literal> clauses.  Thus the following is accepted:
2045 <programlisting>
2046   data MinHeap h a = H a (h a)
2047     deriving (Show)
2048 </programlisting>
2049 because the derived instance
2050 <programlisting>
2051   instance (Show a, Show (h a)) => Show (MinHeap h a)
2052 </programlisting>
2053 conforms to the above rules.
2054 </para>
2055
2056 <para>
2057 A useful idiom permitted by the above rules is as follows.
2058 If one allows overlapping instance declarations then it's quite
2059 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2060 something more specific does not:
2061 <programlisting>
2062   instance C a where
2063     op = ... -- Default
2064 </programlisting>
2065 </para>
2066 <para>You can find lots of background material about the reason for these
2067 restrictions in the paper <ulink
2068 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/fd%2Dchr/">
2069 Understanding functional dependencies via Constraint Handling Rules</ulink>.
2070 </para>
2071 </sect3>
2072
2073 <sect3 id="undecidable-instances">
2074 <title>Undecidable instances</title>
2075
2076 <para>
2077 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2078 For example, sometimes you might want to use the following to get the
2079 effect of a "class synonym":
2080 <programlisting>
2081   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2082
2083   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2084 </programlisting>
2085 This allows you to write shorter signatures:
2086 <programlisting>
2087   f :: C a => ...
2088 </programlisting>
2089 instead of
2090 <programlisting>
2091   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2092 </programlisting>
2093 The restrictions on functional dependencies (<xref
2094 linkend="functional-dependencies"/>) are particularly troublesome.
2095 It is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2096 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2097 <programlisting>
2098   class HasConverter a b | a -> b where
2099      convert :: a -> b
2100    
2101   data Foo a = MkFoo a
2102
2103   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2104      show (MkFoo value) = show (convert value)
2105 </programlisting>
2106 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2107 typechecker loop:
2108 <programlisting>
2109   class D a
2110   class F a b | a->b
2111   instance F [a] [[a]]
2112   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2113 </programlisting>  
2114 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2115 <programlisting>
2116   class Mul a b c | a b -> c where
2117         (.*.) :: a -> b -> c
2118
2119   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2120   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2121   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2122 </programlisting>
2123 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2124 and indeed the (somewhat strange) definition:
2125 <programlisting>
2126   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2127 </programlisting>
2128 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2129 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2130 </para>
2131 <para>
2132 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2133 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2134 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2135 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2136 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2137 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2138 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2139 with <option>-fcontext-stack=</option><emphasis>N</emphasis>.
2140 </para>
2141
2142 </sect3>
2143
2144
2145 <sect3 id="instance-overlap">
2146 <title>Overlapping instances</title>
2147 <para>
2148 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2149 declaration
2150 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2151 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2152 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2153 </primary></indexterm> 
2154 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2155 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2156 </primary></indexterm>, as this section discusses.  Both these
2157 flags are dynamic flags, and can be set on a per-module basis, using 
2158 an <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma if desired (<xref linkend="source-file-options"/>).</para>
2159 <para>
2160 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2161 it tries to match every instance declaration against the
2162 constraint,
2163 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2164 these declarations:
2165 <programlisting>
2166   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2167   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2168   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2169   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2170 </programlisting>
2171 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2172 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2173 no account of the context of the instance declaration
2174 (<literal>context1</literal> etc).
2175 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2176 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2177 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2178 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2179 particular constraint matches more than one.
2180 </para>
2181
2182 <para>
2183 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2184 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2185 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2186 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2187 most-specific match, the program is rejected.
2188 </para>
2189 <para>
2190 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2191 <programlisting>
2192   f :: [b] -> [b]
2193   f x = ...
2194 </programlisting>
2195 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2196 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2197 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2198 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2199 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2200 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2201 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2202 the problem of subsequent instantiations.
2203 </para>
2204 <para>
2205 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2206 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2207 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2208 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2209 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2210 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2211 <itemizedlist>
2212 <listitem><para>
2213 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2214 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2215 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2216 more-specific instance does not matter.
2217 </para></listitem>
2218 <listitem><para>
2219 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2220 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2221 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2222 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2223 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2224 check for that declaration.
2225 </para></listitem>
2226 </itemizedlist>
2227 These rules make it possible for a library author to design a library that relies on 
2228 overlapping instances without the library client having to know.  
2229 </para>
2230 <para>
2231 If an instance declaration is compiled without
2232 <option>-fallow-overlapping-instances</option>,
2233 then that instance can never be overlapped.  This could perhaps be
2234 inconvenient.  Perhaps the rule should instead say that the
2235 <emphasis>overlapping</emphasis> instance declaration should be compiled in
2236 this way, rather than the <emphasis>overlapped</emphasis> one.  Perhaps overlap
2237 at a usage site should be permitted regardless of how the instance declarations
2238 are compiled, if the <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag is
2239 used at the usage site.  (Mind you, the exact usage site can occasionally be
2240 hard to pin down.)  We are interested to receive feedback on these points.
2241 </para>
2242 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2243 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2244 </para>
2245 </sect3>
2246
2247 <sect3>
2248 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2249
2250 <para>
2251 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2252 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2253 As always, using a type synonym is just shorthand for
2254 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2255
2256
2257 <programlisting>
2258   type Point = (Int,Int)
2259   instance C Point   where ...
2260   instance C [Point] where ...
2261 </programlisting>
2262
2263
2264 is legal.  However, if you added
2265
2266
2267 <programlisting>
2268   instance C (Int,Int) where ...
2269 </programlisting>
2270
2271
2272 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2273 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2274 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2275
2276
2277 <programlisting>
2278   type P a = [[a]]
2279   instance Monad P where ...
2280 </programlisting>
2281
2282
2283 This design decision is independent of all the others, and easily
2284 reversed, but it makes sense to me.
2285
2286 </para>
2287 </sect3>
2288
2289
2290 </sect2>
2291
2292 <sect2 id="type-restrictions">
2293 <title>Type signatures</title>
2294
2295 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2296 <para>
2297 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2298 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2299 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2300 these type signatures are perfectly OK
2301 <programlisting>
2302   g :: Eq [a] => ...
2303   g :: Ord (T a ()) => ...
2304 </programlisting>
2305 </para>
2306 <para>
2307 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2308 Consider the type:
2309
2310 <programlisting>
2311   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2312 </programlisting>
2313
2314 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2315 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2316 explicit source-language type signature are universally quantified,
2317 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2318 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2319 </para>
2320
2321 <para>
2322
2323 <orderedlist>
2324 <listitem>
2325
2326 <para>
2327  <emphasis>Each universally quantified type variable
2328 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2329
2330 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2331 in the same constraint as either a type variable free in in
2332 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2333 A value with a type that does not obey 
2334 this reachability restriction cannot be used without introducing
2335 ambiguity; that is why the type is rejected.
2336 Here, for example, is an illegal type:
2337
2338
2339 <programlisting>
2340   forall a. Eq a => Int
2341 </programlisting>
2342
2343
2344 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2345 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2346 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2347 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2348 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2349 get any more information about <literal>tv</literal>.
2350 </para>
2351 <para>
2352 Note
2353 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2354 functionally dependent on a type variable free in
2355 <literal>type</literal> (see <xref
2356 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2357 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2358 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2359 For example, consider:
2360 <programlisting>
2361   class C a b | a -> b where ...
2362   class C a b => D a b where ...
2363   f :: forall a b. D a b => a -> a
2364 </programlisting>
2365 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2366 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2367 </para>
2368 </listitem>
2369 <listitem>
2370
2371 <para>
2372  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2373 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2374
2375 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2376 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2377
2378
2379 <programlisting>
2380   forall a. C a b => burble
2381 </programlisting>
2382
2383
2384 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2385 mention <literal>a</literal>:
2386
2387
2388 <programlisting>
2389   forall a. Eq b => burble
2390 </programlisting>
2391
2392
2393 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2394 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2395 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2396 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2397 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2398 territory free in case we need it later.
2399
2400 </para>
2401 </listitem>
2402
2403 </orderedlist>
2404
2405 </para>
2406 </sect3>
2407
2408 <sect3 id="hoist">
2409 <title>For-all hoisting</title>
2410 <para>
2411 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2412 end of an arrow, thus:
2413 <programlisting>
2414   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2415
2416   g :: Int -> Discard Int
2417   g x y z = x+y
2418 </programlisting>
2419 Simply expanding the type synonym would give
2420 <programlisting>
2421   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2422 </programlisting>
2423 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2424 <programlisting>
2425   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2426 </programlisting>
2427 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2428 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2429 performs the transformation:</emphasis>
2430 <programlisting>
2431   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2432 ==>
2433   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2434 </programlisting>
2435 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2436 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2437 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2438 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2439 <programlisting>
2440   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2441 </programlisting>
2442 </para>
2443 <para>
2444 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2445 example:
2446 <programlisting>
2447   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2448   g :: Foo (Foo Int)
2449 </programlisting>
2450 means
2451 <programlisting>
2452   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2453 </programlisting>
2454 </para>
2455 </sect3>
2456
2457
2458 </sect2>
2459
2460 <sect2 id="implicit-parameters">
2461 <title>Implicit parameters</title>
2462
2463 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2464 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2465 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2466 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2467 Boston, Jan 2000.
2468 </para>
2469
2470 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2471 due to Jeff Lewis.)</para>
2472
2473 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2474 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2475
2476 <para>
2477 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2478 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2479 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2480 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2481 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2482 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2483 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2484 only support static scoping of variables.
2485 </para>
2486 <para>
2487 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2488 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2489 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2490 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2491 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2492 of type <literal>t'</literal>". For
2493 example, the following expresses the type of a sort function,
2494 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2495 <programlisting>
2496   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2497 </programlisting>
2498 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2499 </para>
2500 <para>
2501 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2502 where <literal>x</literal> is
2503 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2504 Use of this construct also introduces a new
2505 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2506 For example, the following definition
2507 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2508 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2509 <programlisting>
2510   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2511
2512   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2513   sort    = sortBy ?cmp
2514 </programlisting>
2515 </para>
2516
2517 <sect3>
2518 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2519 <para>
2520 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2521 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2522 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2523 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2524 to pick out the least value in a list:
2525 <programlisting>
2526   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2527   least xs = head (sort xs)
2528 </programlisting>
2529 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2530 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2531 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2532 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2533 propagate them.
2534 </para>
2535 <para>
2536 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2537 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2538 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2539 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2540 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2541 class constraints.
2542 </para>
2543
2544 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2545 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2546 <programlisting>
2547   class (?x::Int) => C a where ...
2548   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2549 </programlisting>
2550 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2551 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2552 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2553 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2554 <para>
2555 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2556 <programlisting>
2557    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2558    f n = n + length ?x
2559
2560    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2561    g s = show (read s)
2562 </programlisting>
2563 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2564 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2565 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2566 </para>
2567 </sect3>
2568
2569 <sect3>
2570 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2571
2572 <para>
2573 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2574 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2575 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2576 <literal>cmp</literal>.
2577 <programlisting>
2578   min :: [a] -> a
2579   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2580 </programlisting>
2581 </para>
2582 <para>
2583 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2584 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2585 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2586 or a <literal>where</literal> clause.
2587 Note the following points:
2588 <itemizedlist>
2589 <listitem><para>
2590 An implicit-parameter binding group must be a
2591 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2592 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2593 neither polymorphic or recursive.  
2594 </para></listitem>
2595 <listitem><para>
2596 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2597 single <literal>let</literal>
2598 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2599 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2600 </para></listitem>
2601
2602 <listitem><para>
2603 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2604 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2605 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2606 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2607 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2608 the meaning of the program.
2609 For example, consider:
2610 <programlisting>
2611   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2612 </programlisting>
2613 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2614 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2615 <programlisting>
2616   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2617 </programlisting>
2618 </para></listitem>
2619 </itemizedlist>
2620 </para>
2621
2622 </sect3>
2623
2624 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2625
2626 <para>
2627 Consider these two definitions:
2628 <programlisting>
2629   len1 :: [a] -> Int
2630   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2631
2632   len_acc1 [] = ?acc
2633   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2634
2635   ------------
2636
2637   len2 :: [a] -> Int
2638   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2639
2640   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2641   len_acc2 [] = ?acc
2642   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2643 </programlisting>
2644 The only difference between the two groups is that in the second group
2645 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2646 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2647 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2648 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2649 has a type signature, the recursive call is made to the
2650 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2651 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2652 <programlisting>
2653   Prog> len1 "hello"
2654   0
2655   Prog> len2 "hello"
2656   5
2657 </programlisting>
2658 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2659 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2660 </para>
2661 </sect3>
2662
2663 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2664
2665 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2666 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2667 <programlisting>
2668  f :: Int -> Int
2669   f v = let ?x = 0     in
2670         let y = ?x + v in
2671         let ?x = 5     in
2672         y
2673 </programlisting>
2674 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2675 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2676 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2677 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2678 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2679 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2680 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2681 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2682 <literal>14</literal>.
2683 </para>
2684 </sect3>
2685 </sect2>
2686
2687     <!--   ======================= COMMENTED OUT ========================
2688
2689     We intend to remove linear implicit parameters, so I'm at least removing
2690     them from the 6.6 user manual
2691
2692 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2693 <title>Linear implicit parameters</title>
2694 <para>
2695 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2696 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2697 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2698 </para>
2699 <itemizedlist>
2700 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2701 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2702 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2703 </itemizedlist>
2704
2705 <para>
2706 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2707 except that they are "linear"; that is, they cannot be copied, and
2708 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2709 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2710 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2711 </para>
2712 <para>
2713 For example:
2714 <programlisting>
2715     import GHC.Exts( Splittable )
2716
2717     data NameSupply = ...
2718     
2719     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2720     newName :: NameSupply -> Name
2721
2722     instance Splittable NameSupply where
2723         split = splitNS
2724
2725
2726     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2727     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2728                     where
2729                       x'   = newName %ns
2730                       env' = extend env x x'
2731     ...more equations for f...
2732 </programlisting>
2733 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2734 <itemizedlist>
2735 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2736 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2737 </itemizedlist>
2738 </para>
2739 <para>
2740 So the translation done by the type checker makes
2741 the parameter explicit:
2742 <programlisting>
2743     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2744     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2745                        where
2746                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2747                          x' = newName ns2
2748                          env = extend env x x'
2749 </programlisting>
2750 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2751 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2752 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2753 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2754 <programlisting>
2755         class Splittable a where
2756           split :: a -> (a,a)
2757 </programlisting>
2758 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2759 split for name supplies.  But we can simply write
2760 <programlisting>
2761         g x = (x, %ns, %ns)
2762 </programlisting>
2763 and GHC will infer
2764 <programlisting>
2765         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2766 </programlisting>
2767 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2768 <literal>GHC.Exts</literal>.
2769 </para>
2770 <para>
2771 Other points:
2772 <itemizedlist>
2773 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2774 are entirely distinct implicit parameters: you 
2775   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2776 </listitem>
2777
2778 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2779
2780 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2781   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2782 </itemizedlist>
2783 </para>
2784
2785 <sect3><title>Warnings</title>
2786
2787 <para>
2788 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2789 Consider the example above:
2790 <programlisting>
2791     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2792     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2793                     where
2794                       x'   = newName %ns
2795                       env' = extend env x x'
2796 </programlisting>
2797 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2798 usually a harmless thing to do, we get:
2799 <programlisting>
2800     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2801     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2802                     where
2803                       env' = extend env x (newName %ns)
2804 </programlisting>
2805 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2806 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2807 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2808 the beta rule.
2809 </para>
2810 <para>
2811 Well, this is an experimental change.  With implicit
2812 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2813 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2814 Haskell programs without knowing their typing.
2815 </para>
2816
2817 </sect3>
2818
2819 <sect3><title>Recursive functions</title>
2820 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2821 Consider
2822 <programlisting>
2823         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2824         foo 0 = []
2825         foo n = %x : foo (n-1)
2826 </programlisting>
2827 where T is some type in class Splittable.</para>
2828 <para>
2829 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2830 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2831 </para><para>
2832 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2833 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2834 translated term, where the implicit param is made explicit:
2835 <programlisting>
2836         foo x 0 = []
2837         foo x n = let (x1,x2) = split x
2838                   in x1 : foo x2 (n-1)
2839 </programlisting>
2840 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2841 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2842 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2843 work.  So the translation becomes
2844 <programlisting>
2845         foo x = let
2846                   foom 0 = []
2847                   foom n = x : foom (n-1)
2848                 in
2849                 foom
2850 </programlisting>
2851 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2852 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2853 Yikes!
2854 </para><para>
2855 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2856 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2857 </para>
2858 </sect3>
2859
2860 </sect2>
2861
2862 ================ END OF Linear Implicit Parameters commented out -->
2863
2864 <sect2 id="sec-kinding">
2865 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2866
2867 <para>
2868 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2869 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2870 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2871 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2872 John Hughes had to define the data type:
2873 <screen>
2874      data Set cxt a = Set [a]
2875                     | Unused (cxt a -> ())
2876 </screen>
2877 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2878 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2879 </para>
2880 <para>
2881 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2882 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2883 <itemizedlist>
2884 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2885 <screen>
2886   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2887 </screen></para></listitem>
2888 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2889 <screen>
2890   type T (f :: * -> *) = f Int
2891 </screen></para></listitem>
2892 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2893 <screen>
2894   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2895 </screen></para></listitem>
2896 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2897 <screen>
2898   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2899 </screen></para></listitem>
2900 </itemizedlist>
2901 </para>
2902
2903 <para>
2904 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2905 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2906 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2907 single lexeme in Haskell.
2908 </para>
2909
2910 <para>
2911 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2912 as well.  Thus:
2913 <screen>
2914    f :: (Int :: *) -> Int
2915    g :: forall a. a -> (a :: *)
2916 </screen>
2917 The syntax is
2918 <screen>
2919    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2920 </screen>
2921 The parentheses are required.
2922 </para>
2923 </sect2>
2924
2925
2926 <sect2 id="universal-quantification">
2927 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2928 </title>
2929
2930 <para>
2931 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2932 allows us to say exactly what this means.  For example:
2933 </para>
2934 <para>
2935 <programlisting>
2936         g :: b -> b
2937 </programlisting>
2938 means this:
2939 <programlisting>
2940         g :: forall b. (b -> b)
2941 </programlisting>
2942 The two are treated identically.
2943 </para>
2944
2945 <para>
2946 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2947 explicit universal quantification in
2948 types. 
2949 For example, all the following types are legal:
2950 <programlisting>
2951     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2952     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2953
2954     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2955     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2956
2957     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2958 </programlisting>
2959 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2960 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2961 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2962 is implicitly added by Haskell.
2963 </para>
2964 <para>
2965 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2966 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2967 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2968 </para>
2969 <para>
2970 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2971 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2972 </para>
2973 <para>
2974 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2975 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2976 that restriction has now been lifted.)
2977 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2978 including an operational type class context, is legal:
2979 <itemizedlist>
2980 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2981 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2982 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2983 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2984 field type signatures.</para> </listitem>
2985 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2986 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2987 </itemizedlist>
2988 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2989 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2990 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2991 <programlisting>
2992     x1 :: [forall a. a->a]
2993     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2994     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2995 </programlisting>
2996 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2997 a type variable any more!
2998 </para>
2999
3000
3001 <sect3 id="univ">
3002 <title>Examples
3003 </title>
3004
3005 <para>
3006 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
3007 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
3008 </para>
3009
3010 <para>
3011
3012 <programlisting>
3013 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
3014
3015 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
3016                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
3017                         }
3018
3019 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
3020 </programlisting>
3021
3022 </para>
3023
3024 <para>
3025 The constructors have rank-2 types:
3026 </para>
3027
3028 <para>
3029
3030 <programlisting>
3031 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
3032 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
3033                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
3034                   -> MonadT m
3035 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
3036 </programlisting>
3037
3038 </para>
3039
3040 <para>
3041 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
3042 explicit context.  For example in the first argument of the
3043 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
3044 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
3045 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
3046 mentioned in the type quantified over.
3047 </para>
3048
3049 <para>
3050 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
3051 types too.  So if you write this:
3052
3053 <programlisting>
3054   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
3055 </programlisting>
3056
3057 it's just as if you had written this:
3058
3059 <programlisting>
3060   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
3061 </programlisting>
3062
3063 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
3064 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
3065 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
3066 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
3067 </para>
3068
3069 <para>
3070 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
3071 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
3072 </para>
3073
3074 <para>
3075
3076 <programlisting>
3077     a1 :: T Int
3078     a1 = T1 (\xy->x) 3
3079     
3080     a2, a3 :: Swizzle
3081     a2 = MkSwizzle sort
3082     a3 = MkSwizzle reverse
3083     
3084     a4 :: MonadT Maybe
3085     a4 = let r x = Just x
3086              b m k = case m of
3087                        Just y -> k y
3088                        Nothing -> Nothing
3089          in
3090          MkMonad r b
3091
3092     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3093     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3094 </programlisting>
3095
3096 </para>
3097
3098 <para>
3099 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3100 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3101 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3102 </para>
3103
3104 <para>
3105 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3106 polymorphic types.  For example:
3107 </para>
3108
3109 <para>
3110
3111 <programlisting>
3112     f :: T a -> a -> (a, Char)
3113     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3114
3115     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3116     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3117
3118     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3119     h m [] = return m []
3120     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3121                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3122                  return m (y:ys)
3123 </programlisting>
3124
3125 </para>
3126
3127 <para>
3128 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3129 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3130 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3131 matching.
3132 </para>
3133 </sect3>
3134
3135 <sect3>
3136 <title>Type inference</title>
3137
3138 <para>
3139 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3140 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3141 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3142 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3143 </para>
3144 <para>
3145 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3146 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3147 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3148 </para>
3149 <para>
3150 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3151 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3152 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3153 <programlisting>
3154      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3155 </programlisting>
3156 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3157 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3158 <programlisting>
3159      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3160 </programlisting>
3161 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3162 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3163 one can give a type signature for the function itself:
3164 <programlisting>
3165      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3166      h f = (f True, f 'c')
3167 </programlisting>
3168 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3169 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3170 <programlisting>
3171     f :: T a -> a -> (a, Char)
3172     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3173 </programlisting>
3174 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3175 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3176 it needs to know.
3177 </para>
3178
3179 </sect3>
3180
3181
3182 <sect3 id="implicit-quant">
3183 <title>Implicit quantification</title>
3184
3185 <para>
3186 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3187 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3188 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3189 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3190 equivalent:
3191 <programlisting>
3192   f :: a -> a
3193   f :: forall a. a -> a
3194
3195   g (x::a) = let
3196                 h :: a -> b -> b
3197                 h x y = y
3198              in ...
3199   g (x::a) = let
3200                 h :: forall b. a -> b -> b
3201                 h x y = y
3202              in ...
3203 </programlisting>
3204 </para>
3205 <para>
3206 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3207 point.  For example:
3208 <programlisting>
3209   f :: (a -> a) -> Int
3210            -- MEANS
3211   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3212            -- NOT
3213   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3214
3215
3216   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3217            -- MEANS the illegal type
3218   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3219            -- NOT
3220   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3221 </programlisting>
3222 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3223 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3224 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3225 for rank-2 types.
3226 </para>
3227 </sect3>
3228 </sect2>
3229
3230
3231 <sect2 id="impredicative-polymorphism">
3232 <title>Impredicative polymorphism
3233 </title>
3234 <para>GHC supports <emphasis>impredicative polymorphism</emphasis>.  This means
3235 that you can call a polymorphic function at a polymorphic type, and
3236 parameterise data structures over polymorphic types.  For example:
3237 <programlisting>
3238   f :: Maybe (forall a. [a] -> [a]) -> Maybe ([Int], [Char])
3239   f (Just g) = Just (g [3], g "hello")
3240   f Nothing  = Nothing
3241 </programlisting>
3242 Notice here that the <literal>Maybe</literal> type is parameterised by the
3243 <emphasis>polymorphic</emphasis> type <literal>(forall a. [a] ->
3244 [a])</literal>.
3245 </para>
3246 <para>The technical details of this extension are described in the paper
3247 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/boxy">Boxy types:
3248 type inference for higher-rank types and impredicativity</ulink>,
3249 which appeared at ICFP 2006.  
3250 </para>
3251 </sect2>
3252
3253 <sect2 id="scoped-type-variables">
3254 <title>Lexically scoped type variables
3255 </title>
3256
3257 <para>
3258 GHC supports <emphasis>lexically scoped type variables</emphasis>, without
3259 which some type signatures are simply impossible to write. For example:
3260 <programlisting>
3261 f :: forall a. [a] -> [a]
3262 f xs = ys ++ ys
3263      where
3264        ys :: [a]
3265        ys = reverse xs
3266 </programlisting>
3267 The type signature for <literal>f</literal> brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3268 the entire definition of <literal>f</literal>.
3269 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>ys</varname>. 
3270 In Haskell 98 it is not possible to declare
3271 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3272 it becomes possible to do so.
3273 </para>
3274 <para>Lexically-scoped type variables are enabled by
3275 <option>-fglasgow-exts</option>.
3276 </para>
3277 <para>Note: GHC 6.6 contains substantial changes to the way that scoped type
3278 variables work, compared to earlier releases.  Read this section
3279 carefully!</para>
3280
3281 <sect3>
3282 <title>Overview</title>
3283
3284 <para>The design follows the following principles
3285 <itemizedlist>
3286 <listitem><para>A scoped type variable stands for a type <emphasis>variable</emphasis>, and not for
3287 a <emphasis>type</emphasis>. (This is a change from GHC's earlier
3288 design.)</para></listitem>
3289 <listitem><para>Furthermore, distinct lexical type variables stand for distinct
3290 type variables.  This means that every programmer-written type signature
3291 (includin one that contains free scoped type variables) denotes a
3292 <emphasis>rigid</emphasis> type; that is, the type is fully known to the type
3293 checker, and no inference is involved.</para></listitem>
3294 <listitem><para>Lexical type variables may be alpha-renamed freely, without
3295 changing the program.</para></listitem>
3296 </itemizedlist>
3297 </para>
3298 <para>
3299 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3300 <itemizedlist>
3301 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3302 <listitem><para>An expression type signature (<xref linkend="exp-type-sigs"/>)</para></listitem>
3303 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3304 <listitem><para>Class and instance declarations (<xref linkend="cls-inst-scoped-tyvars"/>)</para></listitem>
3305 </itemizedlist>
3306 </para>
3307 <para>
3308 In Haskell, a programmer-written type signature is implicitly quantifed over
3309 its free type variables (<ulink
3310 url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.1.2">Section
3311 4.1.2</ulink> 
3312 of the Haskel Report).
3313 Lexically scoped type variables affect this implicit quantification rules
3314 as follows: any type variable that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally
3315 quantified. For example, if type variable <literal>a</literal> is in scope,
3316 then
3317 <programlisting>
3318   (e :: a -> a)     means     (e :: a -> a)
3319   (e :: b -> b)     means     (e :: forall b. b->b)
3320   (e :: a -> b)     means     (e :: forall b. a->b)
3321 </programlisting>
3322 </para>
3323
3324
3325 </sect3>
3326
3327
3328 <sect3 id="decl-type-sigs">
3329 <title>Declaration type signatures</title>
3330 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3331 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3332 explicitly-quantified
3333 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3334 <programlisting>
3335   f :: forall a. [a] -> [a]
3336   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3337 </programlisting>
3338 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3339 the definition of "<literal>f</literal>".
3340 </para>
3341 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3342 signature is explicit.  For example:
3343 <programlisting>
3344   g :: [a] -> [a]
3345   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3346 </programlisting>
3347 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3348 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3349 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3350 quantification rules.
3351 </para>
3352 </sect3>
3353
3354 <sect3 id="exp-type-sigs">
3355 <title>Expression type signatures</title>
3356
3357 <para>An expression type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3358 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3359 explicitly-quantified
3360 type variables, in the annotated expression.  For example:
3361 <programlisting>
3362   f = runST ( (op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x) :: forall s. ST s Bool )
3363 </programlisting>
3364 Here, the type signature <literal>forall a. ST s Bool</literal> brings the 
3365 type variable <literal>s</literal> into scope, in the annotated expression 
3366 <literal>(op >>= \(x :: STRef s Int) -> g x)</literal>.
3367 </para>
3368
3369 </sect3>
3370
3371 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3372 <title>Pattern type signatures</title>
3373 <para>
3374 A type signature may occur in any pattern; this is a <emphasis>pattern type
3375 signature</emphasis>.  
3376 For example:
3377 <programlisting>
3378   -- f and g assume that 'a' is already in scope
3379   f = \(x::Int, y::a) -> x
3380   g (x::a) = x
3381   h ((x,y) :: (Int,Bool)) = (y,x)
3382 </programlisting>
3383 In the case where all the type variables in the pattern type sigature are
3384 already in scope (i.e. bound by the enclosing context), matters are simple: the
3385 signature simply constrains the type of the pattern in the obvious way.
3386 </para>
3387 <para>
3388 There is only one situation in which you can write a pattern type signature that
3389 mentions a type variable that is not already in scope, namely in pattern match
3390 of an existential data constructor.  For example:
3391 <programlisting>
3392   data T = forall a. MkT [a]
3393
3394   k :: T -> T
3395   k (MkT [t::a]) = MkT t3
3396                  where
3397                    t3::[a] = [t,t,t]
3398 </programlisting>
3399 Here, the pattern type signature <literal>(t::a)</literal> mentions a lexical type
3400 variable that is not already in scope.  Indeed, it cannot already be in scope,
3401 because it is bound by the pattern match.  GHC's rule is that in this situation
3402 (and only then), a pattern type signature can mention a type variable that is
3403 not already in scope; the effect is to bring it into scope, standing for the
3404 existentially-bound type variable.
3405 </para>
3406 <para>
3407 If this seems a little odd, we think so too.  But we must have
3408 <emphasis>some</emphasis> way to bring such type variables into scope, else we
3409 could not name existentially-bound type variables in subequent type signatures.
3410 </para>
3411 <para>
3412 This is (now) the <emphasis>only</emphasis> situation in which a pattern type 
3413 signature is allowed to mention a lexical variable that is not already in
3414 scope.
3415 For example, both <literal>f</literal> and <literal>g</literal> would be
3416 illegal if <literal>a</literal> was not already in scope.
3417 </para>
3418
3419
3420 </sect3>
3421
3422 <!-- ==================== Commented out part about result type signatures 
3423
3424 <sect3 id="result-type-sigs">
3425 <title>Result type signatures</title>
3426
3427 <para>
3428 The result type of a function, lambda, or case expression alternative can be given a signature, thus:
3429
3430 <programlisting>
3431   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3432   f x y :: [a] = [x,y,x]
3433
3434   g = \ x :: [Int] -> [3,4]
3435
3436   h :: forall a. [a] -> a
3437   h xs = case xs of
3438             (y:ys) :: a -> y
3439 </programlisting>
3440 The final <literal>:: [a]</literal> after the patterns of <literal>f</literal> gives the type of 
3441 the result of the function.  Similarly, the body of the lambda in the RHS of
3442 <literal>g</literal> is <literal>[Int]</literal>, and the RHS of the case
3443 alternative in <literal>h</literal> is <literal>a</literal>.
3444 </para>
3445 <para> A result type signature never brings new type variables into scope.</para>
3446 <para>
3447 There are a couple of syntactic wrinkles.  First, notice that all three
3448 examples would parse quite differently with parentheses:
3449 <programlisting>
3450   {- f assumes that 'a' is already in scope -}
3451   f x (y :: [a]) = [x,y,x]
3452
3453   g = \ (x :: [Int]) -> [3,4]
3454
3455   h :: forall a. [a] -> a
3456   h xs = case xs of
3457             ((y:ys) :: a) -> y
3458 </programlisting>
3459 Now the signature is on the <emphasis>pattern</emphasis>; and
3460 <literal>h</literal> would certainly be ill-typed (since the pattern
3461 <literal>(y:ys)</literal> cannot have the type <literal>a</literal>.
3462
3463 Second, to avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3464 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3465 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3466 consider how one would parse this:
3467 <programlisting>
3468   \ x :: a -> b -> x
3469 </programlisting>
3470 </para>
3471 </sect3>
3472
3473  -->
3474
3475 <sect3 id="cls-inst-scoped-tyvars">
3476 <title>Class and instance declarations</title>
3477 <para>
3478
3479 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3480 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3481
3482
3483 <programlisting>
3484   class C a where
3485     op :: [a] -> a
3486
3487     op xs = let ys::[a]
3488                 ys = reverse xs
3489             in
3490             head ys
3491 </programlisting>
3492 </para>
3493 </sect3>
3494
3495 </sect2>
3496
3497 <sect2 id="deriving-typeable">
3498 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3499
3500 <para>
3501 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3502 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3503 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3504 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3505 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3506 </para>
3507 <para>
3508 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3509 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3510 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3511 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3512 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3513 </para>
3514 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3515 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3516 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3517 described in
3518 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3519 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3520 </ulink>.
3521 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3522 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3523 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3524 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3525 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3526 then writing the data type instance by hand.
3527 </para>
3528 </sect2>
3529
3530 <sect2 id="newtype-deriving">
3531 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3532
3533 <para>
3534 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3535 the new type to inherit some instances from its representation. In
3536 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3537 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3538 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3539 example, if you define
3540
3541 <programlisting> 
3542   newtype Dollars = Dollars Int 
3543 </programlisting> 
3544
3545 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3546 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3547
3548 <programlisting> 
3549   instance Num Dollars where
3550     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3551     ...
3552 </programlisting>
3553 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3554 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3555 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3556 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3557 dictionary, only slower!
3558 </para>
3559
3560
3561 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3562 <para>
3563 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3564 <programlisting> 
3565   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3566 </programlisting> 
3567
3568 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3569 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3570 derives an instance declaration of the form
3571
3572 <programlisting> 
3573   instance Num Int => Num Dollars
3574 </programlisting> 
3575
3576 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3577 </para>
3578 <para>
3579
3580 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3581 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3582 transformers, such that
3583
3584 <programlisting> 
3585   instance Monad m => Monad (State s m) 
3586   instance Monad m => Monad (Failure m)
3587 </programlisting> 
3588 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3589 <programlisting> 
3590   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3591 </programlisting> 
3592
3593 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3594 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3595 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3596
3597 <programlisting> 
3598   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3599                          deriving Monad
3600 </programlisting>
3601 In this case the derived instance declaration is of the form 
3602 <programlisting> 
3603   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3604 </programlisting> 
3605
3606 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3607 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3608 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3609 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3610 declaration.
3611 </para>
3612 <para>
3613
3614 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3615 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3616 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3617 clause. For example, given the class
3618
3619 <programlisting> 
3620   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3621   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3622 </programlisting> 
3623 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3624 <programlisting> 
3625   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3626                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3627 </programlisting>
3628
3629 The derived instance is obtained by completing the application of the
3630 class to the new type:
3631
3632 <programlisting> 
3633   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3634            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3635 </programlisting>
3636 </para>
3637 <para>
3638
3639 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3640  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3641 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3642 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3643 the newtype and its representation.
3644 </para>
3645 </sect3>
3646
3647 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3648 <para>
3649 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3650 declaration (after expansion of any type synonyms)
3651
3652 <programlisting> 
3653   newtype T v1...vn = T' (t vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3654 </programlisting> 
3655
3656 where 
3657  <itemizedlist>
3658 <listitem><para>
3659   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3660   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3661   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3662 </para></listitem>
3663 <listitem><para>
3664   The <literal>k</literal> is chosen so that <literal>ci (T v1...vk)</literal> is well-kinded.
3665 </para></listitem>
3666 <listitem><para>
3667   The type <literal>t</literal> is an arbitrary type.
3668 </para></listitem>
3669 <listitem><para>
3670   The type variables <literal>vk+1...vn</literal> do not occur in <literal>t</literal>, 
3671   nor in the <literal>ci</literal>, and
3672 </para></listitem>
3673 <listitem><para>
3674   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3675                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3676                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3677                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3678                 via this new mechanism.  
3679 </para></listitem>
3680 </itemizedlist>
3681 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3682 declaration is:
3683 <programlisting> 
3684   instance ci t => ci (T v1...vk)
3685 </programlisting>
3686 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3687 <programlisting> 
3688   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3689 </programlisting> 
3690 Here we cannot derive the instance 
3691 <programlisting> 
3692   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3693 </programlisting> 
3694
3695 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3696 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3697 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3698 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3699 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3700 </para>
3701 <para>
3702
3703 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3704 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3705 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3706
3707 <programlisting> 
3708   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3709 </programlisting>
3710
3711 then we would not have been able to derive an instance for the
3712 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3713 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3714 instances is most interesting.
3715 </para>
3716 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3717 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3718 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3719 4.3.3. of the Haskell Report).
3720 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3721 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3722 the standard method is used or the one described here.)
3723 </para>
3724 </sect3>
3725
3726 </sect2>
3727
3728 <sect2 id="stand-alone-deriving">
3729 <title>Stand-alone deriving declarations</title>
3730
3731 <para>
3732 GHC now allows stand-alone <literal>deriving</literal> declarations:
3733 </para>
3734
3735 <programlisting>
3736   data Foo = Bar Int | Baz String
3737
3738   deriving Eq for Foo
3739 </programlisting>
3740
3741 <para>Deriving instances of multi-parameter type classes for newtypes is
3742 also allowed:</para>
3743
3744 <programlisting>
3745   newtype Foo a = MkFoo (State Int a)
3746
3747   deriving (MonadState Int) for Foo
3748 </programlisting>
3749
3750 <para>
3751 </para>
3752
3753 </sect2>
3754
3755 <sect2 id="typing-binds">
3756 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3757
3758 <para>
3759 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3760 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3761 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3762 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3763 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3764 As each group is type-checked, any binders of the group that
3765 have
3766 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3767 polymorphic type,
3768 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3769 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3770 </para>
3771
3772 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3773 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3774 Haskell</ulink>,
3775 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3776 specified:
3777 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3778 type signature</emphasis>.
3779 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3780 typecheck.  For example, consider:
3781 <programlisting>
3782   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3783   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3784   
3785   g y = (y &lt;= y) || f True
3786 </programlisting>
3787 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3788 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3789 <literal>f</literal>,
3790 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3791 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3792 type is generalised, to get
3793 <programlisting>
3794   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3795 </programlisting>
3796 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3797 <literal>g</literal> in the type environment.
3798 </para>
3799
3800 <para>
3801 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3802 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3803 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3804 <option>-fglasgow-exts</option>
3805 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3806 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3807 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3808 <programlisting>
3809   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3810   f x = (x == x) || g True
3811   
3812   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3813   g y = (y &lt;= y) || f True
3814 </programlisting>
3815 </para>
3816 </sect2>
3817
3818 </sect1>
3819 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3820   
3821 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3822
3823 <sect1 id="gadt">
3824 <title>Generalised Algebraic Data Types (GADTs)</title>
3825
3826 <para>Generalised Algebraic Data Types generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3827 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3828 <programlisting>
3829   data Term a where
3830       Lit    :: Int -> Term Int
3831       Succ   :: Term Int -> Term Int
3832       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3833       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3834       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3835 </programlisting>
3836 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3837 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3838 for these <literal>Terms</literal>:
3839 <programlisting>
3840   eval :: Term a -> a
3841   eval (Lit i)      = i
3842   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3843   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3844   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3845   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3846 </programlisting>
3847 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and
3848 Tim Sheard. There is a longer introduction
3849 <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/GADT">on the wiki</ulink>,
3850 and Ralf Hinze's
3851 <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
3852 may use different notation to that implemented in GHC.
3853 </para>
3854 <para>
3855 The rest of this section outlines the extensions to GHC that support GADTs. 
3856 It is far from comprehensive, but the design closely follows that described in
3857 the paper <ulink
3858 url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/gadt/index.htm">Simple
3859 unification-based type inference for GADTs</ulink>,
3860 which appeared in ICFP 2006.
3861 <itemizedlist>
3862 <listitem><para>
3863   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3864 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3865 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3866 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3867 <programlisting>
3868   data Term :: * -> * where ...
3869 </programlisting>
3870 or even a mixture of the two:
3871 <programlisting>
3872   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3873 </programlisting>
3874 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3875 like this:
3876 <programlisting>
3877   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3878 </programlisting>
3879 </para></listitem>
3880
3881 <listitem><para>
3882 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3883 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3884 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3885 </para></listitem>
3886
3887 <listitem><para>
3888 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3889
3890 <programlisting>
3891   data Term a where
3892       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3893       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3894       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3895       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3896       Pair   { arg1 :: Term a
3897              , arg2 :: Term b
3898              }                    :: Term (a,b)
3899       If     { cnd  :: Term Bool
3900              , tru  :: Term a
3901              , fls  :: Term a
3902              }                    :: Term a
3903 </programlisting>
3904 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3905 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3906 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3907 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3908 fields above into a 
3909 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3910 their selector functions actually have different types:
3911
3912 <programlisting>
3913   num :: Term Int -> Term Int
3914   arg :: Term Bool -> Term Int
3915 </programlisting>
3916
3917 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3918 limited to record construction, selection and pattern matching:
3919
3920 <programlisting>
3921   someTerm :: Term Bool
3922   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3923
3924   eval :: Term a -> a
3925   eval Lit    { val = i } = i
3926   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3927   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3928   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3929   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3930   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3931 </programlisting>
3932
3933 </para></listitem>
3934
3935 <listitem><para>
3936 You can use strictness annotations, in the obvious places
3937 in the constructor type:
3938 <programlisting>
3939   data Term a where
3940       Lit    :: !Int -> Term Int
3941       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3942       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3943 </programlisting>
3944 </para></listitem>
3945
3946 <listitem><para>
3947 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3948 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3949 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3950 <programlisting>
3951   data Maybe1 a where {
3952       Nothing1 :: Maybe1 a ;
3953       Just1    :: a -> Maybe1 a
3954     } deriving( Eq, Ord )
3955
3956   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3957        deriving( Eq, Ord )
3958 </programlisting>
3959 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3960 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3961 </para></listitem>
3962
3963 <listitem><para>
3964 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3965 <programlisting>
3966   eval :: Term a -> a
3967   eval (Lit i) =  ...
3968 </programlisting>
3969 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3970 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3971 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3972
3973 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3974 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3975 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3976 <programlisting>
3977   eval :: Term a -> a -> a
3978   eval (Lit i) j =  i+j
3979 </programlisting>
3980 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3981 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3982 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3983 </para>
3984 </listitem>
3985 </itemizedlist>
3986 </para>
3987
3988 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3989 <programlisting>
3990   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3991   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3992 </programlisting>
3993 </para>
3994 </sect1>
3995
3996 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3997
3998 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3999
4000 <sect1 id="template-haskell">
4001 <title>Template Haskell</title>
4002
4003 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in
4004 Haskell.  
4005 The background to
4006 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4007 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4008 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4009 </para>
4010 <para>
4011 There is a Wiki page about
4012 Template Haskell at <ulink url="http://haskell.org/haskellwiki/Template_Haskell">
4013 http://www.haskell.org/th/</ulink>, and that is the best place to look for
4014 further details.
4015 You may also 
4016 consult the <ulink
4017 url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online
4018 Haskell library reference material</ulink> 
4019 (search for the type ExpQ).
4020 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4021       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4022 Not all of these changes are in GHC 6.6.]
4023 </para>
4024
4025 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4026 </para>
4027
4028 <para>
4029 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4030 Tim Sheard is going to expand it.)
4031 </para>
4032
4033     <sect2>
4034       <title>Syntax</title>
4035
4036       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4037       constructions.  You need to use the flag
4038       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4039       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4040       (<option>-fth</option> is no longer implied by
4041       <option>-fglasgow-exts</option>).</para>
4042
4043         <itemizedlist>
4044               <listitem><para>
4045                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4046                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4047                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4048                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4049                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4050                   </para>
4051               <para> A splice can occur in place of 
4052                   <itemizedlist>
4053                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4054                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4055                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4056                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4057                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4058                     </itemizedlist>
4059            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4060         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4061         as in the paper.)
4062                 </para></listitem>
4063
4064
4065               <listitem><para>
4066                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4067                   <itemizedlist>
4068                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4069                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4070                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4071                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4072                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4073                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4074                   </itemizedlist></para></listitem>
4075
4076               <listitem><para>
4077                   Reification is written thus:
4078                   <itemizedlist>
4079                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4080                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4081                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4082                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4083                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4084                     
4085                   </itemizedlist></para>
4086                 </listitem>
4087
4088                   
4089         </itemizedlist>
4090 </sect2>
4091
4092 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4093 <para>
4094 <itemizedlist>
4095     <listitem><para>
4096     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4097     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4098     </para></listitem>
4099
4100     <listitem><para>
4101     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4102             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4103             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4104    </para></listitem>
4105
4106     <listitem><para>
4107             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4108    </para></listitem>
4109     <listitem><para>
4110             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4111               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4112               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4113               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4114               those of the compiler itself.
4115    </para></listitem>
4116 </itemizedlist>
4117 </para>
4118 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4119         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4120         has been lifted.
4121 </para>
4122 </sect2>
4123  
4124 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4125 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4126   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4127
4128 <programlisting>
4129
4130 {- Main.hs -}
4131 module Main where
4132
4133 -- Import our template "pr"
4134 import Printf ( pr )
4135
4136 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4137 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4138 -- the argument of "putStrLn".
4139 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4140
4141
4142 {- Printf.hs -}
4143 module Printf where
4144
4145 -- Skeletal printf from the paper.
4146 -- It needs to be in a separate module to the one where
4147 -- you intend to use it.
4148
4149 -- Import some Template Haskell syntax
4150 import Language.Haskell.TH
4151
4152 -- Describe a format string
4153 data Format = D | S | L String
4154
4155 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4156 -- as we are here interested in building our first ever
4157 -- Template Haskell program and not in building printf.
4158 parse :: String -> [Format]
4159 parse s   = [ L s ]
4160
4161 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4162 -- of the format string.  This code will be spliced into
4163 -- the module which calls "pr", at compile time.
4164 gen :: [Format] -> ExpQ
4165 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4166 gen [S]   = [| \s -> s |]
4167 gen [L s] = stringE s
4168
4169 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4170 -- from an input format string.
4171 pr :: String -> ExpQ
4172 pr s      = gen (parse s)
4173 </programlisting>
4174
4175 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4176 </para>
4177 <programlisting>
4178 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4179 </programlisting>
4180
4181 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4182
4183 <programlisting>
4184 $ ./main
4185 Hello
4186 </programlisting>
4187
4188 </sect2>
4189
4190 <sect2>
4191 <title>Using Template Haskell with Profiling</title>
4192 <indexterm><primary>profiling</primary><secondary>with Template Haskell</secondary></indexterm>
4193  
4194 <para>Template Haskell relies on GHC's built-in bytecode compiler and
4195 interpreter to run the splice expressions.  The bytecode interpreter
4196 runs the compiled expression on top of the same runtime on which GHC
4197 itself is running; this means that the compiled code referred to by
4198 the interpreted expression must be compatible with this runtime, and
4199 in particular this means that object code that is compiled for
4200 profiling <emphasis>cannot</emphasis> be loaded and used by a splice
4201 expression, because profiled object code is only compatible with the
4202 profiling version of the runtime.</para>
4203
4204 <para>This causes difficulties if you have a multi-module program
4205 containing Template Haskell code and you need to compile it for
4206 profiling, because GHC cannot load the profiled object code and use it
4207 when executing the splices.  Fortunately GHC provides a workaround.
4208 The basic idea is to compile the program twice:</para>
4209
4210 <orderedlist>
4211 <listitem>
4212   <para>Compile the program or library first the normal way, without
4213   <option>-prof</option><indexterm><primary><option>-prof</option></primary></indexterm>.</para>
4214 </listitem>
4215 <listitem>
4216   <para>Then compile it again with <option>-prof</option>, and
4217   additionally use <option>-osuf
4218   p_o</option><indexterm><primary><option>-osuf</option></primary></indexterm>
4219   to name the object files differentliy (you can choose any suffix
4220   that isn't the normal object suffix here).  GHC will automatically
4221   load the object files built in the first step when executing splice
4222   expressions.  If you omit the <option>-osuf</option> flag when
4223   building with <option>-prof</option> and Template Haskell is used,
4224   GHC will emit an error message. </para>
4225 </listitem>
4226 </orderedlist>
4227 </sect2>
4228
4229 </sect1>
4230
4231 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4232
4233 <sect1 id="arrow-notation">
4234 <title>Arrow notation
4235 </title>
4236
4237 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4238 For more details, see
4239 <itemizedlist>
4240
4241 <listitem>
4242 <para>
4243 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4244 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4245 pp67&ndash;111, May 2000.
4246 </para>
4247 </listitem>
4248
4249 <listitem>
4250 <para>
4251 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4252 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4253 </para>
4254 </listitem>
4255
4256 <listitem>
4257 <para>
4258 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4259 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4260 Palgrave, 2003.
4261 </para>
4262 </listitem>
4263
4264 </itemizedlist>
4265 and the arrows web page at
4266 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4267 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4268 notation described in the second of these papers.
4269 What follows is a brief introduction to the notation;
4270 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4271 This notation is translated to ordinary Haskell,
4272 using combinators from the
4273 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4274 module.
4275 </para>
4276
4277 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4278 <screen>
4279 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4280        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4281 </screen>
4282 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4283 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4284 <literal>proc</literal>-expression,
4285 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4286 The syntax of commands is as follows:
4287 <screen>
4288 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4289        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4290        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4291 </screen>
4292 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4293 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4294 infix operators as for expressions, and
4295 <screen>
4296 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4297        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4298        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4299        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4300        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4301        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4302
4303 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4304        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4305        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4306
4307 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4308        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4309        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4310        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4311 </screen>
4312 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4313 except that the bodies are commands instead of expressions.
4314 </para>
4315
4316 <para>
4317 Commands produce values, but (like monadic computations)
4318 may yield more than one value,
4319 or none, and may do other things as well.
4320 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4321 using commands.
4322 However the values of expressions, even monadic ones,
4323 are determined by the values of the variables they contain;
4324 this is not necessarily the case for commands.
4325 </para>
4326
4327 <para>
4328 A simple example of the new notation is the expression
4329 <screen>
4330 proc x -> f -&lt; x+1
4331 </screen>
4332 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4333 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4334 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4335 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4336 It refers to the input to the arrow.
4337 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4338 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4339 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4340 (The weird look will make more sense later.)
4341 It may be read as analogue of application for arrows.
4342 The above example is equivalent to the Haskell expression
4343 <screen>
4344 arr (\ x -> x+1) >>> f
4345 </screen>
4346 That would make no sense if the expression to the left of
4347 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4348 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4349 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4350 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4351 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4352 <screen>
4353 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4354 </screen>
4355 which is equivalent to
4356 <screen>
4357 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4358 </screen>
4359 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4360 class.
4361 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4362 you may find a monadic formulation more convenient.
4363 </para>
4364
4365 <sect2>
4366 <title>do-notation for commands</title>
4367
4368 <para>
4369 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4370 For example, you can write
4371 <screen>
4372 proc x -> do
4373         y &lt;- f -&lt; x+1
4374         g -&lt; 2*y
4375         let z = x+y
4376         t &lt;- h -&lt; x*z
4377         returnA -&lt; t+z
4378 </screen>
4379 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4380 but with commands in place of monadic expressions.
4381 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4382 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4383 <literal>y</literal>.
4384 In the next line, the output is discarded.
4385 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4386 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4387 module as <literal>arr id</literal>.
4388 The above example is treated as an abbreviation for
4389 <screen>
4390 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4391         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4392         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4393         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4394         arr snd >>>
4395         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4396         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4397         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4398         returnA
4399 </screen>
4400 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4401 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4402 defined in the
4403 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4404 module, this reduces to
4405 <screen>
4406 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4407         first f >>>
4408         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4409         first g >>>
4410         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4411         first h >>>
4412         arr (\ (t, z) -> t+z)
4413 </screen>
4414 which is what you might have written by hand.
4415 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4416 </para>
4417
4418 <para>
4419 Note that although the above translation suggests that
4420 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4421 monomorphic, the actual translation produces Core,
4422 so polymorphic variables are allowed.
4423 </para>
4424
4425 <para>
4426 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4427 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4428 <programlisting>
4429 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4430 counter = proc reset -> do
4431         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4432                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4433         returnA -&lt; output
4434 </programlisting>
4435 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4436 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4437 </para>
4438
4439 </sect2>
4440
4441 <sect2>
4442 <title>Conditional commands</title>
4443
4444 <para>
4445 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4446 input for an arrow.
4447 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4448 <screen>
4449 proc (x,y) ->
4450         if f x y
4451         then g -&lt; x+1
4452         else h -&lt; y+2
4453 </screen>
4454 which is translated to
4455 <screen>
4456 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4457         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4458 </screen>
4459 Since the translation uses <function>|||</function>,
4460 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4461 </para>
4462
4463 <para>
4464 There are also <literal>case</literal> commands, like
4465 <screen>
4466 case input of
4467     [] -> f -&lt; ()
4468     [x] -> g -&lt; x+1
4469     x1:x2:xs -> do
4470         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4471         ys &lt;- k -&lt; xs
4472         returnA -&lt; y:ys
4473 </screen>
4474 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4475 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4476 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4477 </para>
4478
4479 </sect2>
4480
4481 <sect2>
4482 <title>Defining your own control structures</title>
4483
4484 <para>
4485 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4486 modelled on those for expressions,
4487 for sequencing, value recursion and conditionals.
4488 But suitable combinators,
4489 which you can define in ordinary Haskell,
4490 may also be used to build new commands out of existing ones.
4491 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4492 These environments assign values to the free local variables of the command.
4493 Thus combinators that produce arrows from arrows
4494 may also be used to build commands from commands.
4495 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4496 <programlisting>
4497 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4498 </programlisting>
4499 so we can use it to build commands:
4500 <programlisting>
4501 expr' = proc x -> do
4502                 returnA -&lt; x
4503         &lt;+> do
4504                 symbol Plus -&lt; ()
4505                 y &lt;- term -&lt; ()
4506                 expr' -&lt; x + y
4507         &lt;+> do
4508                 symbol Minus -&lt; ()
4509                 y &lt;- term -&lt; ()
4510                 expr' -&lt; x - y
4511 </programlisting>
4512 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4513 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4514 expression on the previous line.)
4515 This is equivalent to
4516 <programlisting>
4517 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4518         &lt;+> (proc x -> do
4519                 symbol Plus -&lt; ()
4520                 y &lt;- term -&lt; ()
4521                 expr' -&lt; x + y)
4522         &lt;+> (proc x -> do
4523                 symbol Minus -&lt; ()
4524                 y &lt;- term -&lt; ()
4525                 expr' -&lt; x - y)
4526 </programlisting>
4527 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4528 (representing the environment input to the command
4529 and thence to its subcommands)
4530 and satisfy the corresponding naturality property
4531 <screen>
4532 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4533 </screen>
4534 at least for strict <literal>k</literal>.
4535 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4536 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4537 of the whole command,
4538 and also allows the translation to safely trim these environments.
4539 The operator must also not use any variable defined within the current
4540 arrow abstraction.
4541 </para>
4542
4543 <para>
4544 We could define our own operator
4545 <programlisting>
4546 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4547 untilA body cond = proc x ->
4548         if cond x then returnA -&lt; ()
4549         else do
4550                 body -&lt; x
4551                 untilA body cond -&lt; x
4552 </programlisting>
4553 and use it in the same way.
4554 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4555 there is also a more general syntax involving special brackets:
4556 <screen>
4557 proc x -> do
4558         y &lt;- f -&lt; x+1
4559         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4560 </screen>
4561 </para>
4562
4563 </sect2>
4564
4565 <sect2>
4566 <title>Primitive constructs</title>
4567
4568 <para>
4569 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4570 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4571 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4572 exception that occurred to the handler.
4573 Such an operator might have a type
4574 <screen>
4575 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4576 </screen>
4577 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4578 You could then use this with arrow notation by writing a command
4579 <screen>
4580 body `handleA` \ ex -> handler
4581 </screen>
4582 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4583 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4584 and the command <literal>handler</literal>,
4585 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4586 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4587 we are talking about commands, and something different is going on.
4588 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4589 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4590 In all the prior examples, this stack was empty.
4591 In the second argument to <function>handleA</function>,
4592 this stack consists of one value, the value of the exception.
4593 The command form of lambda merely gives this value a name.
4594 </para>
4595
4596 <para>
4597 More concretely,
4598 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4599 So operators like <function>handleA</function> that pass
4600 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4601 by pairing the values with the environment in this way.
4602 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4603 should have the form
4604 <screen>
4605 a (...(e,t1), ... tn) t
4606 </screen>
4607 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4608 (representing the environment)
4609 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4610 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4611 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4612 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4613 <replaceable>t</replaceable>.
4614 However the arrows involved need not be the same.
4615 Here are some more examples of suitable operators:
4616 <screen>
4617 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4618 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4619 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4620 </screen>
4621 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4622 by applying them to ordinary expressions, as in
4623 <screen>
4624 proc x -> do
4625         s &lt;- ...
4626         (|runReader (do { ... })|) s
4627 </screen>
4628 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4629 built using <function>runReader</function>.
4630 </para>
4631
4632 <para>
4633 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4634 the expression versions.
4635 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4636 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4637 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4638 though the results would be somewhat clumsy.
4639 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4640 <programlisting>
4641 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4642 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4643
4644 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4645 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4646 </programlisting>
4647 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4648 <programlisting>
4649 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4650 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4651 </programlisting>
4652 </para>
4653
4654 </sect2>
4655
4656 <sect2>
4657 <title>Differences with the paper</title>
4658
4659 <itemizedlist>
4660
4661 <listitem>
4662 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4663 translations, the implementation provides two forms
4664 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4665 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4666 </para>
4667 </listitem>
4668
4669 <listitem>
4670 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4671 a new <literal>form</literal> keyword.
4672 </para>
4673 </listitem>
4674
4675 </itemizedlist>
4676
4677 </sect2>
4678
4679 <sect2>
4680 <title>Portability</title>
4681
4682 <para>
4683 Although only GHC implements arrow notation directly,
4684 there is also a preprocessor
4685 (available from the 
4686 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4687 that translates arrow notation into Haskell 98
4688 for use with other Haskell systems.
4689 You would still want to check arrow programs with GHC;
4690 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4691 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4692 additional restrictions:
4693 <itemizedlist>
4694
4695 <listitem>
4696 <para>
4697 The module must import
4698 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4699 </para>
4700 </listitem>
4701
4702 <listitem>
4703 <para>
4704 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4705 These would have to go in separate modules.
4706 </para>
4707 </listitem>
4708
4709 <listitem>
4710 <para>
4711 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4712 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4713 </para>
4714 </listitem>
4715
4716 </itemizedlist>
4717 </para>
4718
4719 </sect2>
4720
4721 </sect1>
4722
4723 <!-- ==================== BANG PATTERNS =================  -->
4724
4725 <sect1 id="sec-bang-patterns">
4726 <title>Bang patterns
4727 <indexterm><primary>Bang patterns</primary></indexterm>
4728 </title>
4729 <para>GHC supports an extension of pattern matching called <emphasis>bang
4730 patterns</emphasis>.   Bang patterns are under consideration for Haskell Prime.
4731 The <ulink
4732 url="http://hackage.haskell.org/trac/haskell-prime/wiki/BangPatterns">Haskell
4733 prime feature description</ulink> contains more discussion and examples
4734 than the material below.
4735 </para>
4736 <para>
4737 Bang patterns are enabled by the flag <option>-fbang-patterns</option>.
4738 </para>
4739
4740 <sect2 id="sec-bang-patterns-informal">
4741 <title>Informal description of bang patterns
4742 </title>
4743 <para>
4744 The main idea is to add a single new production to the syntax of patterns:
4745 <programlisting>
4746   pat ::= !pat
4747 </programlisting>
4748 Matching an expression <literal>e</literal> against a pattern <literal>!p</literal> is done by first
4749 evaluating <literal>e</literal> (to WHNF) and then matching the result against <literal>p</literal>.
4750 Example:
4751 <programlisting>
4752 f1 !x = True
4753 </programlisting>
4754 This definition makes <literal>f1</literal> is strict in <literal>x</literal>,
4755 whereas without the bang it would be lazy.
4756 Bang patterns can be nested of course:
4757 <programlisting>
4758 f2 (!x, y) = [x,y]
4759 </programlisting>
4760 Here, <literal>f2</literal> is strict in <literal>x</literal> but not in
4761 <literal>y</literal>.  
4762 A bang only really has an effect if it precedes a variable or wild-card pattern:
4763 <programlisting>
4764 f3 !(x,y) = [x,y]
4765 f4 (x,y)  = [x,y]
4766 </programlisting>
4767 Here, <literal>f3</literal> and <literal>f4</literal> are identical; putting a bang before a pattern that
4768 forces evaluation anyway does nothing.
4769 </para><para>
4770 Bang patterns work in <literal>case</literal> expressions too, of course:
4771 <programlisting>
4772 g5 x = let y = f x in body
4773 g6 x = case f x of { y -&gt; body }
4774 g7 x = case f x of { !y -&gt; body }
4775 </programlisting>
4776 The functions <literal>g5</literal> and <literal>g6</literal> mean exactly the same thing.  
4777 But <literal>g7</literal> evalutes <literal>(f x)</literal>, binds <literal>y</literal> to the
4778 result, and then evaluates <literal>body</literal>.
4779 </para><para>
4780 Bang patterns work in <literal>let</literal> and <literal>where</literal>
4781 definitions too. For example:
4782 <programlisting>
4783 let ![x,y] = e in b
4784 </programlisting>
4785 is a strict pattern: operationally, it evaluates <literal>e</literal>, matches
4786 it against the pattern <literal>[x,y]</literal>, and then evaluates <literal>b</literal>
4787 The "<literal>!</literal>" should not be regarded as part of the pattern; after all,
4788 in a function argument <literal>![x,y]</literal> means the 
4789 same as <literal>[x,y]</literal>.  Rather, the "<literal>!</literal>" 
4790 is part of the syntax of <literal>let</literal> bindings.
4791 </para>
4792 </sect2>
4793
4794
4795 <sect2 id="sec-bang-patterns-sem">
4796 <title>Syntax and semantics
4797 </title>
4798 <para>
4799
4800 We add a single new production to the syntax of patterns:
4801 <programlisting>
4802   pat ::= !pat
4803 </programlisting>
4804 There is one problem with syntactic ambiguity.  Consider:
4805 <programlisting>
4806 f !x = 3
4807 </programlisting>
4808 Is this a definition of the infix function "<literal>(!)</literal>",
4809 or of the "<literal>f</literal>" with a bang pattern? GHC resolves this
4810 ambiguity in favour of the latter.  If you want to define
4811 <literal>(!)</literal> with bang-patterns enabled, you have to do so using
4812 prefix notation:
4813 <programlisting>
4814 (!) f x = 3
4815 </programlisting>
4816 The semantics of Haskell pattern matching is described in <ulink
4817 url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.2">
4818 Section 3.17.2</ulink> of the Haskell Report.  To this description add 
4819 one extra item 10, saying:
4820 <itemizedlist><listitem><para>Matching
4821 the pattern <literal>!pat</literal> against a value <literal>v</literal> behaves as follows:
4822 <itemizedlist><listitem><para>if <literal>v</literal> is bottom, the match diverges</para></listitem>
4823                 <listitem><para>otherwise, <literal>pat</literal> is matched against
4824                 <literal>v</literal></para></listitem>
4825 </itemizedlist>
4826 </para></listitem></itemizedlist>
4827 Similarly, in Figure 4 of  <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.17.3">
4828 Section 3.17.3</ulink>, add a new case (t):
4829 <programlisting>
4830 case v of { !pat -> e; _ -> e' }
4831    = v `seq` case v of { pat -> e; _ -> e' }
4832 </programlisting>
4833 </para><para>
4834 That leaves let expressions, whose translation is given in 
4835 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/exps.html#sect3.12">Section
4836 3.12</ulink>
4837 of the Haskell Report.
4838 In the translation box, first apply 
4839 the following transformation:  for each pattern <literal>pi</literal> that is of 
4840 form <literal>!qi = ei</literal>, transform it to <literal>(xi,!qi) = ((),ei)</literal>, and and replace <literal>e0</literal> 
4841 by <literal>(xi `seq` e0)</literal>.  Then, when none of the left-hand-side patterns
4842 have a bang at the top, apply the rules in the existing box.
4843 </para>
4844 <para>The effect of the let rule is to force complete matching of the pattern
4845 <literal>qi</literal> before evaluation of the body is begun.  The bang is
4846 retained in the translated form in case <literal>qi</literal> is a variable,
4847 thus:
4848 <programlisting>
4849   let !y = f x in b
4850 </programlisting>
4851
4852 </para>
4853 <para>
4854 The let-binding can be recursive.  However, it is much more common for
4855 the let-binding to be non-recursive, in which case the following law holds:
4856 <literal>(let !p = rhs in body)</literal>
4857      is equivalent to
4858 <literal>(case rhs of !p -> body)</literal>
4859 </para>
4860 <para>
4861 A pattern with a bang at the outermost level is not allowed at the top level of
4862 a module.
4863 </para>
4864 </sect2>
4865 </sect1>
4866
4867 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4868
4869 <sect1 id="sec-assertions">
4870 <title>Assertions
4871 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4872 </title>
4873
4874 <para>
4875 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4876 could define a function like the following:
4877 </para>
4878
4879 <para>
4880
4881 <programlisting>
4882 assert :: Bool -> a -> a
4883 assert False x = error "assertion failed!"
4884 assert _     x = x
4885 </programlisting>
4886
4887 </para>
4888
4889 <para>
4890 which works, but gives you back a less than useful error message --
4891 an assertion failed, but which and where?
4892 </para>
4893
4894 <para>
4895 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4896 takes a descriptive string to include in the error message and
4897 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4898 the source location where <function>assert</function> was used.
4899 </para>
4900
4901 <para>
4902 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4903 use of <function>assert</function> in the user's source:
4904 </para>
4905
4906 <para>
4907
4908 <programlisting>
4909 kelvinToC :: Double -> Double
4910 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4911 </programlisting>
4912
4913 </para>
4914
4915 <para>
4916 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4917 assertion was made,
4918 </para>
4919
4920 <para>
4921
4922 <programlisting>
4923 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4924 </programlisting>
4925
4926 </para>
4927
4928 <para>
4929 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4930 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4931 can still define and use your own versions of
4932 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4933 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4934 <function>assert</function> in your code.
4935 </para>
4936
4937 <para>
4938 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4939       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4940 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4941 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4942       <option>-fignore-asserts</option>
4943       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4944       </indexterm>.</para>
4945
4946 <para>
4947 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4948 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4949 </para>
4950
4951 </sect1>
4952
4953
4954 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4955
4956   <sect1 id="pragmas">
4957     <title>Pragmas</title>
4958
4959     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4960
4961     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4962     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4963     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4964     of the generated code.</para>
4965
4966     <para>Pragmas all take the form
4967
4968 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4969
4970     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4971     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4972     type of pragma.  Case is ignored in
4973     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4974     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4975     in the following sections; any pragma encountered with an
4976     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4977     ignored.</para>
4978
4979     <sect2 id="deprecated-pragma">
4980       <title>DEPRECATED pragma</title>
4981       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4982       </indexterm>
4983
4984       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4985       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4986       forms.
4987
4988       <itemizedlist>
4989         <listitem>
4990           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4991 <programlisting>
4992    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4993      ...
4994 </programlisting>
4995           <para>When you compile any module that import
4996           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4997           message.</para>
4998         </listitem>
4999
5000         <listitem>
5001           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
5002           following top-level declaration:</para>
5003 <programlisting>
5004    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
5005 </programlisting>
5006           <para>When you compile any module that imports and uses any
5007           of the specified entities, GHC will print the specified
5008           message.</para>
5009           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
5010           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
5011           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
5012           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
5013           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
5014           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
5015           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
5016         </listitem>
5017       </itemizedlist>
5018       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
5019       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
5020       deprecations are not reported for
5021       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
5022       (b) uses of a deprecated function in an export list.
5023       The latter reduces spurious complaints within a library
5024       in which one module gathers together and re-exports 
5025       the exports of several others.
5026       </para>
5027       <para>You can suppress the warnings with the flag
5028       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
5029     </sect2>
5030
5031     <sect2 id="include-pragma">
5032       <title>INCLUDE pragma</title>
5033
5034       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
5035         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
5036         the C source code generated by the compiler for the current module (if
5037         compiling via C).  For example:</para>
5038
5039 <programlisting>
5040 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
5041 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
5042
5043       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
5044         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
5045         pragma(s).</para>
5046
5047       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
5048         to the <option>-#include</option> option (<xref
5049           linkend="options-C-compiler" />), because the
5050         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
5051         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
5052         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
5053         don't recommend using this approach with GHC.</para>
5054     </sect2>
5055
5056     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
5057       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
5058
5059       <para>These pragmas control the inlining of function
5060       definitions.</para>
5061
5062       <sect3 id="inline-pragma">
5063         <title>INLINE pragma</title>
5064         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
5065
5066         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
5067         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
5068         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
5069         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
5070         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
5071         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
5072         export that unfolding for other modules to use.</para>
5073
5074         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
5075         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
5076         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
5077
5078 <programlisting>
5079 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
5080
5081 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5082 {-# INLINE key_function #-}
5083 #endif
5084 </programlisting>
5085
5086         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
5087         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
5088         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
5089
5090         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
5091         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
5092         The normal unfolding machinery will then be very keen to
5093         inline it.</para>
5094
5095         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
5096         function can be put anywhere its type signature could be
5097         put.</para>
5098
5099         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
5100         good idea for the
5101         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
5102         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
5103         a monad.  For example, in GHC's own
5104         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
5105
5106 <programlisting>
5107 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
5108 {-# INLINE thenUs #-}
5109 {-# INLINE returnUs #-}
5110 #endif
5111 </programlisting>
5112
5113         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
5114         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
5115       </sect3>
5116
5117       <sect3 id="noinline-pragma">
5118         <title>NOINLINE pragma</title>
5119         
5120         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
5121         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
5122
5123         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
5124         you'd expect: it stops the named function from being inlined
5125         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
5126         you're very cautious about code size.</para>
5127
5128         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
5129         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
5130         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
5131         inlining, so it should be used if you want your code to be
5132         portable).</para>
5133       </sect3>
5134
5135       <sect3 id="phase-control">
5136         <title>Phase control</title>
5137
5138         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
5139         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
5140         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5141         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5142         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5143         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5144         sequence of phase numbers for successive runs of the
5145         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5146         phase number, thus:
5147         <itemizedlist>
5148           <listitem>
5149             <para>"<literal>INLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5150             <literal>f</literal>
5151               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5152               <literal>k</literal> onwards be very keen to inline it.
5153             </para></listitem>
5154           <listitem>
5155             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be very keen to inline
5156             <literal>f</literal>
5157               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5158               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5159             </para></listitem>
5160           <listitem>
5161             <para>"<literal>NOINLINE[k] f</literal>" means: do not inline
5162             <literal>f</literal>
5163               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5164               <literal>k</literal> onwards be willing to inline it (as if
5165               there was no pragma).
5166             </para></listitem>
5167             <listitem>
5168             <para>"<literal>INLINE[~k] f</literal>" means: be willing to inline
5169             <literal>f</literal>
5170               until phase <literal>k</literal>, but from phase
5171               <literal>k</literal> onwards do not inline it.
5172             </para></listitem>
5173         </itemizedlist>
5174 The same information is summarised here:
5175 <programlisting>
5176                            -- Before phase 2     Phase 2 and later
5177   {-# INLINE   [2]  f #-}  --      No                 Yes
5178   {-# INLINE   [~2] f #-}  --      Yes                No
5179   {-# NOINLINE [2]  f #-}  --      No                 Maybe
5180   {-# NOINLINE [~2] f #-}  --      Maybe              No
5181
5182   {-# INLINE   f #-}       --      Yes                Yes
5183   {-# NOINLINE f #-}       --      No                 No
5184 </programlisting>
5185 By "Maybe" we mean that the usual heuristic inlining rules apply (if the
5186 function body is small, or it is applied to interesting-looking arguments etc).
5187 Another way to understand the semantics is this:
5188 <itemizedlist>
5189 <listitem><para>For both INLINE and NOINLINE, the phase number says
5190 when inlining is allowed at all.</para></listitem>
5191 <listitem><para>The INLINE pragma has the additional effect of making the
5192 function body look small, so that when inlining is allowed it is very likely to
5193 happen.
5194 </para></listitem>
5195 </itemizedlist>
5196 </para>
5197 <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5198         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5199       </sect3>
5200     </sect2>
5201
5202     <sect2 id="language-pragma">
5203       <title>LANGUAGE pragma</title>
5204
5205       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5206       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5207
5208       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5209         It is the intention that all Haskell compilers support the
5210         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5211         all extensions are supported by all compilers, of
5212         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5213         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5214
5215       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5216
5217 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5218
5219       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5220         <ulink
5221           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5222     </sect2>
5223
5224
5225     <sect2 id="line-pragma">
5226       <title>LINE pragma</title>
5227
5228       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5229       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5230       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5231       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5232       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5233       original code; for example</para>
5234
5235 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5236
5237       <para>if you'd generated the current file from something called
5238       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5239       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5240       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5241       pragma.</para>
5242     </sect2>
5243
5244     <sect2 id="options-pragma">
5245       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5246       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5247       </indexterm>
5248       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5249       </indexterm>
5250
5251       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5252       additional options that are given to the compiler when compiling
5253       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5254       details.</para>
5255
5256       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5257         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5258     </sect2>
5259
5260     <sect2 id="rules">
5261       <title>RULES pragma</title>
5262
5263       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5264       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5265     </sect2>
5266
5267     <sect2 id="specialize-pragma">
5268       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5269
5270       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5271       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5272       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5273
5274       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5275       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5276       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5277       overloaded function:</para>
5278
5279 <programlisting>
5280   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5281 </programlisting>
5282
5283       <para>If it is heavily used on lists with
5284       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5285       follows:</para>
5286
5287 <programlisting>
5288   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5289 </programlisting>
5290
5291       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5292       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5293
5294       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5295       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5296       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5297       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5298
5299       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5300         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5301         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5302 <programlisting>
5303   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5304 </programlisting>
5305       is valid if and only if the defintion
5306 <programlisting>
5307   f_spec :: &lt;type&gt;
5308   f_spec = f
5309 </programlisting>
5310       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5311       for the original function, not its code):
5312 <programlisting>
5313   f :: Eq a => a -> b -> b
5314   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5315
5316   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5317   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5318
5319   h :: Eq a => a -> a -> a
5320   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5321 </programlisting>  
5322 The last of these examples will generate a 
5323 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5324 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5325 </para>
5326
5327 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5328 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5329 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5330 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5331 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5332 example is this:
5333 <programlisting>
5334 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5335 data Arr e where
5336   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5337   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5338
5339 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5340 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5341 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5342 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5343 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5344 </programlisting>
5345 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5346 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5347 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5348 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5349 <literal>(!:)</literal>,
5350 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5351 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5352 unrolling of the indexing function.</para>
5353 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5354 on an ordinarily-recursive function.</para>
5355
5356       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5357       specialised function for a given type:
5358
5359 <programlisting>
5360 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5361 </programlisting>
5362
5363       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5364       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5365
5366     </sect2>
5367
5368 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5369 <title>SPECIALIZE instance pragma
5370 </title>
5371
5372 <para>
5373 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5374 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5375 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5376
5377 <programlisting>
5378 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5379    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5380    ... usual stuff ...
5381  }
5382 </programlisting>
5383 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5384 of the instance declaration.
5385 </para>
5386 <para>
5387 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5388 of the pragma.
5389 </para>
5390
5391 </sect2>
5392
5393     <sect2 id="unpack-pragma">
5394       <title>UNPACK pragma</title>
5395
5396       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5397       
5398       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5399       that it should unpack the contents of a constructor field into
5400       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5401       example:</para>
5402
5403 <programlisting>
5404 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5405            {-# UNPACK #-} !Float
5406 </programlisting>
5407
5408       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5409       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5410       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5411       floats passed to a non-strict function for example, they will
5412       have to be reboxed (this is done automatically by the
5413       compiler).</para>
5414
5415       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5416       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5417       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5418       often as possible.  For example:</para>
5419
5420 <programlisting>
5421 f :: T -&#62; Float
5422 f (T f1 f2) = f1 + f2
5423 </programlisting>
5424
5425       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5426       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5427       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5428
5429       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5430       example</para>
5431
5432 <programlisting>
5433 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5434 </programlisting>
5435
5436       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5437       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5438       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5439
5440 <programlisting>
5441 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5442 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5443 </programlisting>
5444
5445       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5446       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5447       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5448
5449       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5450       so it might be an idea to check the generated code with
5451       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5452
5453       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5454       which essentially has the effect of adding
5455       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5456       constructor field.</para>
5457     </sect2>
5458
5459 </sect1>
5460
5461 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5462
5463 <sect1 id="rewrite-rules">
5464 <title>Rewrite rules
5465
5466 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5467 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5468 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5469
5470 <para>
5471 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5472 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5473 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5474 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5475 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified, and (c) the
5476 <option>-fglasgow-exts</option> (<xref linkend="options-language"/>)
5477 flag is active.
5478 </para>
5479
5480 <para>
5481 Here is an example:
5482
5483 <programlisting>
5484   {-# RULES
5485         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5486   #-}
5487 </programlisting>
5488
5489 </para>
5490
5491 <sect2>
5492 <title>Syntax</title>
5493
5494 <para>
5495 From a syntactic point of view:
5496
5497 <itemizedlist>
5498 <listitem>
5499
5500 <para>
5501  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5502 </para>
5503 </listitem>
5504
5505 <listitem>
5506
5507 <para>
5508  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5509 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5510 </para>
5511 </listitem>
5512
5513 <listitem>
5514 <para>
5515 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5516 immediately after the name of the rule.  Thus:
5517 <programlisting>
5518   {-# RULES
5519         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5520   #-}
5521 </programlisting>
5522 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5523 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5524 Phase 2.
5525 </para>
5526 </listitem>
5527
5528
5529 <listitem>
5530
5531 <para>
5532  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5533 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5534 enclosing definitions.
5535 </para>
5536 </listitem>
5537
5538 <listitem>
5539
5540 <para>
5541  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5542 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5543 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5544 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5545 </para>
5546 </listitem>
5547 <listitem>
5548
5549 <para>
5550  A pattern variable may optionally have a type signature.
5551 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5552 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5553
5554 <programlisting>
5555 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5556               foldr k z (build g) = g k z
5557 </programlisting>
5558
5559 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5560
5561 </para>
5562 </listitem>
5563 <listitem>
5564
5565 <para>
5566 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5567 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5568
5569 <programlisting>
5570 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5571 "wrong2"   forall f.      f True = True
5572 </programlisting>
5573
5574 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5575 in the head.
5576 </para>
5577 </listitem>
5578 <listitem>
5579
5580 <para>
5581  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5582 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5583 </para>
5584 </listitem>
5585 <listitem>
5586
5587 <para>
5588  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5589 </para>
5590 </listitem>
5591
5592 </itemizedlist>
5593
5594 </para>
5595
5596 </sect2>
5597
5598 <sect2>
5599 <title>Semantics</title>
5600
5601 <para>
5602 From a semantic point of view:
5603
5604 <itemizedlist>
5605 <listitem>
5606
5607 <para>
5608 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5609 </para>
5610 </listitem>
5611
5612 <listitem>
5613 <para>
5614  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5615 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5616 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5617 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5618 expression by substituting for the pattern variables.
5619
5620 </para>
5621 </listitem>
5622 <listitem>
5623
5624 <para>
5625  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5626 same type.
5627
5628 </para>
5629 </listitem>
5630 <listitem>
5631
5632 <para>
5633  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5634 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5635 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5636
5637 </para>
5638 </listitem>
5639 <listitem>
5640
5641 <para>
5642  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5643 terminating.  For example:
5644
5645 <programlisting>
5646   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5647 </programlisting>
5648
5649 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5650
5651 </para>
5652 </listitem>
5653 <listitem>
5654
5655 <para>
5656  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5657
5658 </para>
5659 </listitem>
5660 <listitem>
5661 <para>
5662  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5663 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5664 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5665 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5666 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5667 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5668 </para>
5669
5670 <para>
5671 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5672 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5673 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5674 </para>
5675 </listitem>
5676 <listitem>
5677
5678 <para>
5679  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5680 For example, consider:
5681
5682 <programlisting>
5683   let s = map f
5684       t = map g
5685   in
5686   s (t xs)
5687 </programlisting>
5688
5689 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5690 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5691 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5692 not be substituted, and the rule would not fire.
5693
5694 </para>
5695 </listitem>
5696 <listitem>
5697
5698 <para>
5699  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5700 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5701 for something you can't match against it (given the simple minded
5702 matching).  So if you write the rule
5703
5704 <programlisting>
5705         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5706 </programlisting>
5707
5708 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5709 It will only match something written with explicit use of ".".
5710 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5711
5712 <programlisting>
5713 wibble f g xs
5714 </programlisting>
5715
5716 where <function>wibble</function> is defined:
5717
5718 <programlisting>
5719 wibble f g = map f . map g
5720 </programlisting>
5721
5722 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5723
5724 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5725 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5726 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5727
5728 </para>
5729 </listitem>
5730 <listitem>
5731
5732 <para>
5733  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5734 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5735 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5736 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5737 declarations.
5738 </para>
5739 </listitem>
5740
5741 </itemizedlist>
5742
5743 </para>
5744
5745 </sect2>
5746
5747 <sect2>
5748 <title>List fusion</title>
5749
5750 <para>
5751 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5752 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5753 intermediate list should be eliminated entirely.
5754 </para>
5755
5756 <para>
5757 The following are good producers:
5758
5759 <itemizedlist>
5760 <listitem>
5761
5762 <para>
5763  List comprehensions
5764 </para>
5765 </listitem>
5766 <listitem>
5767
5768 <para>
5769  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5770 </para>
5771 </listitem>
5772 <listitem>
5773
5774 <para>
5775  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5776 </para>
5777 </listitem>
5778 <listitem>
5779
5780 <para>
5781  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5782 </para>
5783 </listitem>
5784 <listitem>
5785
5786 <para>
5787  <function>++</function>
5788 </para>
5789 </listitem>
5790
5791 <listitem>
5792 <para>
5793  <function>map</function>
5794 </para>
5795 </listitem>
5796
5797 <listitem>
5798 <para>
5799 <function>take</function>, <function>filter</function>
5800 </para>
5801 </listitem>
5802 <listitem>
5803
5804 <para>
5805  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5806 </para>
5807 </listitem>
5808 <listitem>
5809
5810 <para>
5811  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5812 </para>
5813 </listitem>
5814
5815 </itemizedlist>
5816
5817 </para>
5818
5819 <para>
5820 The following are good consumers:
5821
5822 <itemizedlist>
5823 <listitem>
5824
5825 <para>
5826  List comprehensions
5827 </para>
5828 </listitem>
5829 <listitem>
5830
5831 <para>
5832  <function>array</function> (on its second argument)
5833 </para>
5834 </listitem>
5835 <listitem>
5836
5837 <para>
5838  <function>length</function>
5839 </para>
5840 </listitem>
5841 <listitem>
5842
5843 <para>
5844  <function>++</function> (on its first argument)
5845 </para>
5846 </listitem>
5847
5848 <listitem>
5849 <para>
5850  <function>foldr</function>
5851 </para>
5852 </listitem>
5853
5854 <listitem>
5855 <para>
5856  <function>map</function>
5857 </para>
5858 </listitem>
5859 <listitem>
5860
5861 <para>
5862 <function>take</function>, <function>filter</function>
5863 </para>
5864 </listitem>
5865 <listitem>
5866
5867 <para>
5868  <function>concat</function>
5869 </para>
5870 </listitem>
5871 <listitem>
5872
5873 <para>
5874  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5875 </para>
5876 </listitem>
5877 <listitem>
5878
5879 <para>
5880  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5881 will fuse with one but not the other)
5882 </para>
5883 </listitem>
5884 <listitem>
5885
5886 <para>
5887  <function>partition</function>
5888 </para>
5889 </listitem>
5890 <listitem>
5891
5892 <para>
5893  <function>head</function>
5894 </para>
5895 </listitem>
5896 <listitem>
5897
5898 <para>
5899  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5900 </para>
5901 </listitem>
5902 <listitem>
5903
5904 <para>
5905  <function>sequence&lowbar;</function>
5906 </para>
5907 </listitem>
5908 <listitem>
5909
5910 <para>
5911  <function>msum</function>
5912 </para>
5913 </listitem>
5914 <listitem>
5915
5916 <para>
5917  <function>sortBy</function>
5918 </para>
5919 </listitem>
5920
5921 </itemizedlist>
5922
5923 </para>
5924
5925  <para>
5926 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5927
5928 <programlisting>
5929 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5930 </programlisting>
5931
5932 </para>
5933
5934 <para>
5935 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5936 a lot which are not included, please tell us.
5937 </para>
5938
5939 <para>
5940 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5941 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5942 </para>
5943
5944 </sect2>
5945
5946 <sect2 id="rule-spec">
5947 <title>Specialisation
5948 </title>
5949
5950 <para>
5951 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5952 present in earlier versions of GHC.
5953 For example, suppose that:
5954
5955 <programlisting>
5956 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5957 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5958 </programlisting>
5959
5960 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5961 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5962 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5963 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5964 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5965 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5966 It used to be possible to write
5967
5968 <programlisting>
5969 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5970 </programlisting>
5971
5972 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5973
5974 <programlisting>
5975 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5976 </programlisting>
5977
5978 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5979 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5980 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5981 What is more, this rule does not need to be in the same
5982 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5983 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5984 have an original definition available to specialise).
5985 </para>
5986
5987 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5988 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5989 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5990
5991 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5992 specialisation will Win Big:
5993
5994 <programlisting>
5995 toDouble :: Real a => a -> Double
5996 toDouble = fromRational . toRational
5997
5998 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5999 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
6000 </programlisting>
6001
6002 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
6003 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
6004 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
6005 comparison.
6006 </para>
6007
6008 </sect2>
6009
6010 <sect2>
6011 <title>Controlling what's going on</title>
6012
6013 <para>
6014
6015 <itemizedlist>
6016 <listitem>
6017
6018 <para>
6019  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
6020 </para>
6021 </listitem>
6022 <listitem>
6023
6024 <para>
6025  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
6026 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
6027 </para>
6028 </listitem>
6029 <listitem>
6030
6031 <para>
6032  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
6033
6034 <programlisting>
6035         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
6036         {-# INLINE build #-}
6037         build g = g (:) []
6038 </programlisting>
6039
6040 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
6041 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
6042 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
6043 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
6044
6045 </para>
6046 </listitem>
6047 <listitem>
6048
6049 <para>
6050  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
6051 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
6052 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
6053 </para>
6054 </listitem>
6055
6056 </itemizedlist>
6057
6058 </para>
6059
6060 </sect2>
6061
6062 <sect2 id="core-pragma">
6063   <title>CORE pragma</title>
6064
6065   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
6066   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
6067   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
6068
6069 <para>
6070   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
6071   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
6072   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
6073   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
6074   literal as an argument.  The following function definition shows an
6075   example:
6076
6077 <programlisting>
6078 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
6079 </programlisting>
6080
6081   Semantically, this is equivalent to:
6082
6083 <programlisting>
6084 g x = show x
6085 </programlisting>
6086 </para>
6087
6088 <para>
6089   However, when external for is generated (via
6090   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
6091   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
6092   The core function declaration for <function>f</function> is:
6093 </para>
6094
6095 <programlisting>
6096   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
6097                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
6098     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
6099         (%note "foo"
6100          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
6101            {GHCziShow.ZCDShow
6102             (tpl1::GHCziBase.Int ->
6103                    a ->
6104                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6105 r)
6106             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
6107             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
6108                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
6109 r) ->
6110               tpl2})
6111         (%note "bar"
6112          eta);
6113 </programlisting>
6114
6115 <para>
6116   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
6117   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
6118   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
6119   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
6120   <varname>x</varname>).
6121 </para>
6122
6123 </sect2>
6124
6125 </sect1>
6126
6127 <sect1 id="special-ids">
6128 <title>Special built-in functions</title>
6129 <para>GHC has a few built-in funcions with special behaviour, 
6130 described in this section.  All are exported by
6131 <literal>GHC.Exts</literal>.</para>
6132
6133 <sect2> <title>The <literal>seq</literal> function </title>
6134 <para>
6135 The function <literal>seq</literal> is as described in the Haskell98 Report.
6136 <programlisting>
6137   seq :: a -> b -> b
6138 </programlisting>
6139 It evaluates its first argument to head normal form, and then returns its
6140 second argument as the result.  The reason that it is documented here is 
6141 that, despite <literal>seq</literal>'s polymorphism, its 
6142 second argument can have an unboxed type, or
6143 can be an unboxed tuple; for example <literal>(seq x 4#)</literal>
6144 or <literal>(seq x (# p,q #))</literal>.  This requires <literal>b</literal>
6145 to be instantiated to an unboxed type, which is not usually allowed.
6146 </para>
6147 </sect2>
6148
6149 <sect2> <title>The <literal>inline</literal> function </title>
6150 <para>
6151 The <literal>inline</literal> function is somewhat experimental.
6152 <programlisting>
6153   inline :: a -> a
6154 </programlisting>
6155 The call <literal>(inline f)</literal> arranges that <literal>f</literal> 
6156 is inlined, regardless of its size.  More precisely, the call
6157 <literal>(inline f)</literal> rewrites to the right-hand side of <literal>f</literal>'s 
6158 definition.  
6159 This allows the programmer to control inlining from 
6160 a particular <emphasis>call site</emphasis>
6161 rather than the <emphasis>definition site</emphasis> of the function 
6162 (c.f. <literal>INLINE</literal> pragmas <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>).
6163 </para>
6164 <para>
6165 This inlining occurs regardless of the argument to the call
6166 or the size of <literal>f</literal>'s definition; it is unconditional.
6167 The main caveat is that <literal>f</literal>'s definition must be
6168 visible to the compiler.  That is, <literal>f</literal> must be
6169 let-bound in the current scope.
6170 If no inlining takes place, the <literal>inline</literal> function
6171 expands to the identity function in Phase zero; so its use imposes
6172 no overhead.</para>
6173
6174 <para> If the function is defined in another
6175 module, GHC only exposes its inlining in the interface file if the
6176 function is sufficiently small that it <emphasis>might</emphasis> be
6177 inlined by the automatic mechanism.  There is currently no way to tell
6178 GHC to expose arbitrarily-large functions in the interface file.  (This
6179 shortcoming is something that could be fixed, with some kind of pragma.)
6180 </para>
6181 </sect2>
6182
6183 <sect2> <title>The <literal>lazy</literal> function </title>
6184 <para>
6185 The <literal>lazy</literal> function restrains strictness analysis a little:
6186 <programlisting>
6187   lazy :: a -> a
6188 </programlisting>
6189 The call <literal>(lazy e)</literal> means the same as <literal>e</literal>, 
6190 but <literal>lazy</literal> has a magical property so far as strictness
6191 analysis is concerned: it is lazy in its first argument,
6192 even though its semantics is strict.  After strictness analysis has run,
6193 calls to <literal>lazy</literal> are inlined to be the identity function.
6194 </para>
6195 <para>
6196 This behaviour is occasionally useful when controlling evaluation order.
6197 Notably, <literal>lazy</literal> is used in the library definition of
6198 <literal>Control.Parallel.par</literal>:
6199 <programlisting>
6200   par :: a -> b -> b
6201   par x y = case (par# x) of { _ -> lazy y }
6202 </programlisting>
6203 If <literal>lazy</literal> were not lazy, <literal>par</literal> would
6204 look strict in <literal>y</literal> which would defeat the whole 
6205 purpose of <literal>par</literal>.
6206 </para>
6207 <para>
6208 Like <literal>seq</literal>, the argument of <literal>lazy</literal> can have
6209 an unboxed type.
6210 </para>
6211
6212 </sect2>
6213
6214 <sect2> <title>The <literal>unsafeCoerce#</literal> function </title>
6215 <para>
6216 The function <literal>unsafeCoerce#</literal> allows you to side-step the
6217 typechecker entirely.  It has type
6218 <programlisting>
6219   unsafeCoerce# :: a -> b
6220 </programlisting>
6221 That is, it allows you to coerce any type into any other type.  If you use this
6222 function, you had better get it right, otherwise segmentation faults await. 
6223 It is generally used when you want to write a program that you know is
6224 well-typed, but where Haskell's type system is not expressive enough to prove
6225 that it is well typed.
6226 </para>
6227 <para>
6228 The argument to <literal>unsafeCoerce#</literal> can have unboxed types,
6229 although extremely bad things will happen if you coerce a boxed type 
6230 to an unboxed type.
6231 </para>
6232
6233 </sect2>
6234
6235 </sect1>
6236
6237
6238 <sect1 id="generic-classes">
6239 <title>Generic classes</title>
6240
6241 <para>
6242 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
6243 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
6244 An example will give the idea:
6245 </para>
6246
6247 <programlisting>
6248   import Generics
6249
6250   class Bin a where
6251     toBin   :: a -> [Int]
6252     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6253   
6254     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6255     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6256     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6257     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6258   
6259     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6260     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6261     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6262     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6263                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6264 </programlisting>
6265 <para>
6266 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6267 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6268 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6269 </para>
6270 <programlisting>
6271   data Unit    = Unit
6272   data a :+: b = Inl a | Inr b
6273   data a :*: b = a :*: b
6274 </programlisting>
6275 <para>
6276 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6277 <programlisting>
6278   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6279   instance Bin a => Bin [a]
6280 </programlisting>
6281 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6282 where clause and over-ride whichever methods you please.
6283 </para>
6284
6285     <sect2>
6286       <title> Using generics </title>
6287       <para>To use generics you need to</para>
6288       <itemizedlist>
6289         <listitem>
6290           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6291                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6292                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6293                 available.  </para>
6294         </listitem>
6295         <listitem>
6296           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6297           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6298           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6299           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6300           don't need this import if you don't mention these types
6301           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6302           declarations.)</para>
6303         </listitem>
6304       </itemizedlist>
6305     </sect2>
6306
6307 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6308 <para>
6309 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6310 can be written infix (indeed, you can now use
6311 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6312 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6313 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6314 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6315 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6316 anticipate wanting).
6317 </para>
6318 </sect2>
6319
6320 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6321 <para>
6322 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6323 is one that is defined using type patterns as above.
6324 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6325 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6326 generic default method.
6327 </para>
6328
6329 <para>
6330 Restrictions:
6331 <itemizedlist>
6332 <listitem>
6333 <para>
6334 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6335 field labels.
6336 </para>
6337 </listitem>
6338
6339 <listitem>
6340 <para>
6341 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6342 multi-parameter class.
6343 </para>
6344 </listitem>
6345
6346 <listitem>
6347 <para>
6348 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6349 without.  So this is illegal:
6350 <programlisting>
6351   class Foo a where
6352     op :: a -> (a, Bool)
6353     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6354     op x               = (x,    False)
6355 </programlisting>
6356 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6357 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6358 </para>
6359 </listitem>
6360
6361 <listitem>
6362 <para>
6363 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6364 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:
6365 <programlisting>
6366   class Foo a where
6367     op :: a -> Bool
6368     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6369     ...
6370 </programlisting>
6371 </para>
6372 </listitem>
6373
6374 <listitem>
6375 <para>
6376 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6377 <programlisting>
6378        a :+: b
6379        a :*: b
6380        Unit
6381 </programlisting>
6382 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6383 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6384 must use the same type variables.  So this is illegal:
6385 <programlisting>
6386   class Foo a where
6387     op :: a -> Bool
6388     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6389     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6390 </programlisting>
6391 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6392 So this too is illegal:
6393 <programlisting>
6394   class Foo a where
6395     op1 :: a -> Bool
6396     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6397
6398     op2 :: a -> Bool
6399     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6400 </programlisting>
6401 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6402 into a single generic instance declaration.)
6403 </para>
6404 </listitem>
6405
6406 <listitem>
6407 <para>
6408 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6409 </para>
6410 </listitem>
6411
6412 <listitem>
6413 <para>
6414 The type for a generic method can be built only from:
6415   <itemizedlist>
6416   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6417   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6418   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6419   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6420   </itemizedlist>
6421 Here are some example type signatures for generic methods:
6422 <programlisting>
6423     op1 :: a -> Bool
6424     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6425     op3 :: [Int] -> a -> a
6426     op4 :: [a] -> Bool
6427 </programlisting>
6428 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6429 inside a list.  
6430 </para>
6431 <para>
6432 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6433 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6434 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6435 to the ones that are allowed.</para>
6436 </listitem>
6437
6438 <listitem>
6439 <para>
6440 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6441 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6442 do so if
6443   <itemizedlist>
6444   <listitem>
6445   <para>
6446   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6447   </para>
6448   </listitem>
6449   <listitem>
6450   <para>
6451   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6452   </para>
6453   </listitem>
6454   </itemizedlist>
6455 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6456 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6457 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6458 </para>
6459 </listitem>
6460
6461 </itemizedlist>
6462 </para>
6463
6464 <para>
6465 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6466 what the compiler does with generic declarations.
6467 </para>
6468
6469 </sect2>
6470
6471 <sect2> <title> Another example </title>
6472 <para>
6473 Just to finish with, here's another example I rather like:
6474 <programlisting>
6475   class Tag a where
6476     nCons :: a -> Int
6477     nCons {| Unit |}    _ = 1
6478     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6479     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6480   
6481     tag :: a -> Int
6482     tag {| Unit |}    _       = 1
6483     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6484     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6485     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6486 </programlisting>
6487 </para>
6488 </sect2>
6489 </sect1>
6490
6491 <sect1 id="monomorphism">
6492 <title>Control over monomorphism</title>
6493
6494 <para>GHC supports two flags that control the way in which generalisation is
6495 carried out at let and where bindings.
6496 </para>
6497
6498 <sect2>
6499 <title>Switching off the dreaded Monomorphism Restriction</title>
6500           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
6501
6502 <para>Haskell's monomorphism restriction (see 
6503 <ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.5">Section
6504 4.5.5</ulink>
6505 of the Haskell Report)
6506 can be completely switched off by
6507 <option>-fno-monomorphism-restriction</option>.
6508 </para>
6509 </sect2>
6510
6511 <sect2>
6512 <title>Monomorphic pattern bindings</title>
6513           <indexterm><primary><option>-fno-mono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6514           <indexterm><primary><option>-fmono-pat-binds</option></primary></indexterm>
6515
6516           <para> As an experimental change, we are exploring the possibility of
6517           making pattern bindings monomorphic; that is, not generalised at all.  
6518             A pattern binding is a binding whose LHS has no function arguments,
6519             and is not a simple variable.  For example:
6520 <programlisting>
6521   f x = x                    -- Not a pattern binding
6522   f = \x -> x                -- Not a pattern binding
6523   f :: Int -> Int = \x -> x  -- Not a pattern binding
6524
6525   (g,h) = e                  -- A pattern binding
6526   (f) = e                    -- A pattern binding
6527   [x] = e                    -- A pattern binding
6528 </programlisting>
6529 Experimentally, GHC now makes pattern bindings monomorphic <emphasis>by
6530 default</emphasis>.  Use <option>-fno-mono-pat-binds</option> to recover the
6531 standard behaviour.
6532 </para>
6533 </sect2>
6534 </sect1>
6535
6536
6537
6538 <!-- Emacs stuff:
6539      ;;; Local Variables: ***
6540      ;;; mode: xml ***
6541      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6542      ;;; End: ***
6543  -->
6544