[project @ 2004-01-12 10:02:51 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
72           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
73           flag. </para>
74         </listitem>
75       </varlistentry>
76
77       <varlistentry>
78         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
79         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
80         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
81         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
82         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
83         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
84         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
85         <listitem>
86           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
87           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
88         </listitem>
89       </varlistentry>
90
91       <varlistentry>
92         <term><option>-finline-phase</option></term>
93         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
94         <listitem>
95           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
96           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
97         </listitem>
98       </varlistentry>
99
100       <varlistentry>
101         <term><option>-farrows</option></term>
102         <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
103         <listitem>
104           <para>See <xref LinkEnd="arrow-notation">.  Independent of
105           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
106         </listitem>
107       </varlistentry>
108
109       <varlistentry>
110         <term><option>-fgenerics</option></term>
111         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
112         <listitem>
113           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
114           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
115         </listitem>
116       </varlistentry>
117
118       <varlistentry>
119         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
120         <listitem>
121           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
122           option</primary></indexterm> GHC normally imports
123           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
124           rather it didn't, then give it a
125           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
126           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
127           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
128           namespace is flat, and you must not conflict with any
129           Prelude module.)</para>
130
131           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
132           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
133           Prelude types and values, as specified by the Haskell
134           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
135           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
136           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
137           translation for list comprehensions continues to use
138           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
139
140           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
141           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
142           LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
143         </listitem>
144       </varlistentry>
145
146       <varlistentry>
147         <term><option>-fth</option></term>
148         <listitem>
149           <para>Enables Template Haskell (see <xref
150           linkend="template-haskell">).  Currently also implied by
151           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
152         </listitem>
153       </varlistentry>
154
155       <varlistentry>
156         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
157         <listitem>
158           <para>Enables implicit parameters (see <xref
159           linkend="implicit-parameters">).  Currently also implied by 
160           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
161         </listitem>
162       </varlistentry>
163
164     </variablelist>
165   </sect1>
166
167 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
168 <!--    included from primitives.sgml  -->
169 <!-- &primitives; -->
170 <sect1 id="primitives">
171   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
172
173 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
174 While you really can use this stuff to write fast code,
175   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
176   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
177   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
178   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
179   about it.</para>
180
181 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
182 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
183 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
184 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
185
186 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
187 work over those types, is held in the file
188 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
189 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
190 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
191
192 <para> Indeed,
193 the result of such processing is part of the description of the 
194  <ulink
195       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
196          Core language</ulink>.
197 So that document is a good place to look for a type-set version.
198 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
199 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
200 we could include the results here in the User Guide.</para>
201
202 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
203   
204 <sect2 id="glasgow-unboxed">
205 <title>Unboxed types
206 </title>
207
208 <para>
209 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
210 </para>
211
212 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
213 that values of that type are represented by a pointer to a heap
214 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
215 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
216 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
217 allocation are involved.
218 </para>
219
220 <para>
221 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
222 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
223 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
224 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
225 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
226 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
227 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
228 know and love&mdash;usually one instruction.
229 </para>
230
231 <para>
232 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
233 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
234 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
235 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
236 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
237 </para>
238
239 <para>
240 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
241 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
242 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
243 a primitive value might be represented by a pointer to a
244 heap-allocated object.  Examples include
245 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
246 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
247 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
248 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
249 represents a primitive value, then it really does point to that value:
250 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
251 other end of the pointer than the primitive value.
252 </para>
253
254 <para>
255 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
256 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
257 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
258 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
259 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
260 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
261 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
262 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
263 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
264 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
265 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
266 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
267 </para>
268
269 <para>
270 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
271 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
272 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
273 </para>
274
275 </sect2>
276
277 <sect2 id="unboxed-tuples">
278 <title>Unboxed Tuples
279 </title>
280
281 <para>
282 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
283 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
284 unboxed tuple looks like this:
285 </para>
286
287 <para>
288
289 <programlisting>
290 (# e_1, ..., e_n #)
291 </programlisting>
292
293 </para>
294
295 <para>
296 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
297 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
298 the same.
299 </para>
300
301 <para>
302 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
303 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
304 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
305 components are put directly into registers or on the stack; the
306 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
307 of the primitive operations listed in this section return unboxed
308 tuples.
309 </para>
310
311 <para>
312 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
313 </para>
314
315 <para>
316
317 <itemizedlist>
318 <listitem>
319
320 <para>
321  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
322 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
323 structures or passed to polymorphic functions.
324
325 </para>
326 </listitem>
327 <listitem>
328
329 <para>
330  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
331 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
332 eg. the following are valid:
333
334
335 <programlisting>
336 f x y = (# x+1, y-1 #)
337 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
338 </programlisting>
339
340
341 but the following are invalid:
342
343
344 <programlisting>
345 f x y = g (# x, y #)
346 g (# x, y #) = x + y
347 </programlisting>
348
349
350 </para>
351 </listitem>
352 <listitem>
353
354 <para>
355  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
356
357
358 <programlisting>
359 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
360 f x = x
361 </programlisting>
362
363
364 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
365
366 </para>
367 </listitem>
368
369 </itemizedlist>
370
371 </para>
372
373 <para>
374 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
375 </para>
376
377 <para>
378 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
379 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
380 </para>
381
382 </sect2>
383 </sect1>
384
385
386 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
387
388 <sect1 id="syntax-extns">
389 <title>Syntactic extensions</title>
390  
391     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
392
393     <sect2 id="hierarchical-modules">
394       <title>Hierarchical Modules</title>
395
396       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
397       names: a module name is allowed to contain a dot
398       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
399       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
400       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
401       more flexible hierarchy of modules.</para>
402
403       <para>This extension has very little impact on the language
404       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
405       qualified, so you can just think of the fully qualified module
406       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
407       means that the full module name must be given after the
408       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
409       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
410       begin</para>
411
412 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
413
414
415       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
416       keyword to save some typing when using qualified names with
417       hierarchical modules.  For example:</para>
418
419 <programlisting>
420 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
421 </programlisting>
422
423       <para>For details on how GHC searches for source and interface
424       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
425       linkend="search-path">.</para>
426
427       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
428       hierarchically; see the accompanying library documentation.
429       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
430       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
431       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
432       current status of that project.  For more details, see <ulink
433       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
434       Libraries</ulink>.</para>
435
436     </sect2>
437
438     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
439
440 <sect2 id="pattern-guards">
441 <title>Pattern guards</title>
442
443 <para>
444 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
445 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.)
446 </para>
447
448 <para>
449 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
450 lookup operation:
451
452 <programlisting>
453 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
454 </programlisting>
455
456 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
457 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
458 </para>
459
460 <programlisting>
461 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
462 | otherwise  = var1 + var2
463 where
464   m1 = lookup env var1
465   m2 = lookup env var2
466   ok1 = maybeToBool m1
467   ok2 = maybeToBool m2
468   val1 = expectJust m1
469   val2 = expectJust m2
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 The auxiliary functions are 
474 </para>
475
476 <programlisting>
477 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
478 maybeToBool (Just x) = True
479 maybeToBool Nothing  = False
480
481 expectJust :: Maybe a -&gt; a
482 expectJust (Just x) = x
483 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
484 </programlisting>
485
486 <para>
487 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
488 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
489 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
490 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
491 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
492 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
493 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
494 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
495 </para>
496
497 <para>
498 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
499 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
500 to write clunky would be to use case expressions:
501 </para>
502
503 <programlisting>
504 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
505   Nothing -&gt; fail
506   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
507     Nothing -&gt; fail
508     Just val2 -&gt; val1 + val2
509 where
510   fail = val1 + val2
511 </programlisting>
512
513 <para>
514 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
515 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
516 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
517 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
518 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
519 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
520 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
521 tends to become more and more indented. 
522 </para>
523
524 <para>
525 Here is how I would write clunky:
526 </para>
527
528 <programlisting>
529 clunky env var1 var1
530   | Just val1 &lt;- lookup env var1
531   , Just val2 &lt;- lookup env var2
532   = val1 + val2
533 ...other equations for clunky...
534 </programlisting>
535
536 <para>
537 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
538 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
539 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
540 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
541 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
542 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
543 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
544 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
545 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
546 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
547 </para>
548
549 <para>
550 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
551 with among the pattern guards.  For example:
552 </para>
553
554 <programlisting>
555 f x | [y] <- x
556     , y > 3
557     , Just z <- h y
558     = ...
559 </programlisting>
560
561 <para>
562 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
563 qualifier list has just one element, a boolean expression.
564 </para>
565 </sect2>
566
567     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
568
569 <sect2 id="mdo-notation">
570 <title>The recursive do-notation
571 </title>
572
573 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
574 "A recursive do for Haskell",
575 Levent Erkok, John Launchbury",
576 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
577 </para>
578 <para>
579 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
580 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
581 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
582 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
583 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
584 </para>
585 <para>
586 Here is a simple (yet contrived) example:
587 </para>
588 <programlisting>
589 import Control.Monad.Fix
590
591 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
592                return xs
593 </programlisting>
594 <para>
595 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
596 </para>
597
598 <para>
599 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
600 </para>
601 <programlisting>
602 class Monad m => MonadFix m where
603    mfix :: (a -> m a) -> m a
604 </programlisting>
605 <para>
606 The function <literal>mfix</literal>
607 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
608 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
609 For details, see the above mentioned reference.
610 </para>
611 <para>
612 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
613 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
614 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
615 </para>
616 <para>
617 There are three important points in using the recursive-do notation:
618 <itemizedlist>
619 <listitem><para>
620 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
621 than <literal>do</literal>).
622 </para></listitem>
623
624 <listitem><para>
625 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
626 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
627 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
628 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
629 </para></listitem>
630
631 <listitem><para>
632 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
633 </para></listitem>
634 </itemizedlist>
635 </para>
636
637 <para>
638 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
639 contains up to date information on recursive monadic bindings.
640 </para>
641
642 <para>
643 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
644 of the existing documents) used the name
645 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
646 This name is not supported by GHC.
647 </para>
648
649 </sect2>
650
651
652    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
653
654   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
655     <title>Parallel List Comprehensions</title>
656     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
657     </indexterm>
658     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
659     </indexterm>
660
661     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
662     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
663     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
664     extend this to include the zipWith family.</para>
665
666     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
667     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
668     example, the following zips together two lists:</para>
669
670 <programlisting>
671    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
672 </programlisting>
673
674     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
675     zip, in that the resulting list will have the same length as the
676     shortest branch.</para>
677
678     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
679     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
680
681     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
682
683 <programlisting>
684    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
685        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
686        ... 
687    ] 
688 </programlisting>
689
690     <para>This will be translated to: </para>
691
692 <programlisting>
693    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
694                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
695                                          ... 
696    ] 
697 </programlisting>
698
699     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
700     branches.</para>
701
702   </sect2>
703
704 <sect2 id="rebindable-syntax">
705 <title>Rebindable syntax</title>
706
707
708       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
709       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
710       with a home-grown version, for example.</para>
711
712             <para>You may want to define your own numeric class
713             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
714             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
715             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
716             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
717             the following pieces of built-in syntax to refer to
718             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
719             versions:</para>
720
721             <itemizedlist>
722               <listitem>
723                 <para>Integer and fractional literals mean
724                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
725                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
726                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
727                 patterns. </para>
728                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
729                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
730               </listitem>
731
732               <listitem>
733                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
734                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
735                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
736               </listitem>
737
738               <listitem>
739                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
740                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
741                 but the necessary subtraction uses whatever
742                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
743                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
744               </listitem>
745
746               <listitem>
747           <para>"Do" notation is translated using whatever
748               functions <literal>(>>=)</literal>,
749               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
750               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
751               versions).  List comprehensions, and parallel array
752               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
753             </itemizedlist>
754
755              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
756              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
757              must have the appropriate types, namely:
758              <screen>
759                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
760                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
761                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
762                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
763                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
764                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
765                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
766                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
767              </screen>
768              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
769              is up to you.)
770              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
771              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
772              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
773
774 </sect2>
775 </sect1>
776
777
778 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
779 <sect1 id="type-extensions">
780 <title>Type system extensions</title>
781
782
783 <sect2>
784 <title>Data types and type synonyms</title>
785
786 <sect3 id="nullary-types">
787 <title>Data types with no constructors</title>
788
789 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
790 a data type with no constructors.  For example:</para>
791
792 <programlisting>
793   data S      -- S :: *
794   data T a    -- T :: * -> *
795 </programlisting>
796
797 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
798 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
799 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
800 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
801
802 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
803 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
804 </sect3>
805
806 <sect3 id="infix-tycons">
807 <title>Infix type constructors</title>
808
809 <para>
810 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
811 like expressions.  More specifically:
812 <itemizedlist>
813 <listitem><para>
814   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
815   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
816   </para></listitem>
817 <listitem><para>
818   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
819   </para></listitem>
820 <listitem><para>
821   Back-quotes work
822   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
823   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
824   </para></listitem>
825 <listitem><para>
826   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
827   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
828   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
829 <screen>
830   infixl 7 T, :*:
831 </screen>
832   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
833   and similarly for <literal>:*:</literal>.
834   <literal>Int `a` Bool</literal>.
835   </para></listitem>
836 <listitem><para>
837   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
838   </para></listitem>
839 <listitem><para>
840   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
841 <screen>
842   data a :*: b = Foo a b
843   type a :+: b = Either a b
844 </screen>
845   </para></listitem>
846 <listitem><para>
847   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
848   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
849   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
850   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
851   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
852   lists.  So for now we just exclude them.
853   </para></listitem>
854
855 </itemizedlist>
856 </para>
857 </sect3>
858
859 <sect3 id="type-synonyms">
860 <title>Liberalised type synonyms</title>
861
862 <para>
863 Type synonmys are like macros at the type level, and
864 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
865 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
866 <itemizedlist>
867 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
868 in a type synonym, thus:
869 <programlisting>
870   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
871
872   f :: Discard a
873   f x y = (x, show y)
874
875   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
876   g f = f Int True
877 </programlisting>
878 </para>
879 </listitem>
880
881 <listitem><para>
882 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
883 <programlisting>
884   type Pr = (# Int, Int #)
885
886   h :: Int -> Pr
887   h x = (# x, x #)
888 </programlisting>
889 </para></listitem>
890
891 <listitem><para>
892 You can apply a type synonym to a forall type:
893 <programlisting>
894   type Foo a = a -> a -> Bool
895  
896   f :: Foo (forall b. b->b)
897 </programlisting>
898 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
899 <programlisting>
900   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
901 </programlisting>
902 </para></listitem>
903
904 <listitem><para>
905 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
906 <programlisting>
907   type Generic i o = forall x. i x -> o x
908   type Id x = x
909   
910   foo :: Generic Id []
911 </programlisting>
912 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
913 <programlisting>
914   foo :: forall x. x -> [x]
915 </programlisting>
916 </para></listitem>
917
918 </itemizedlist>
919 </para>
920
921 <para>
922 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
923 could be changed.)
924 </para>
925 <para>
926 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
927 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
928 <itemizedlist>
929 <listitem><para>
930 Type constructor applied to a type involving for-alls.
931 </para></listitem>
932 <listitem><para>
933 Unboxed tuple on left of an arrow.
934 </para></listitem>
935 <listitem><para>
936 Partially-applied type synonym.
937 </para></listitem>
938 </itemizedlist>
939 So, for example,
940 this will be rejected:
941 <programlisting>
942   type Pr = (# Int, Int #)
943
944   h :: Pr -> Int
945   h x = ...
946 </programlisting>
947 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
948 </para>
949 </sect3>
950
951
952 <sect3 id="existential-quantification">
953 <title>Existentially quantified data constructors
954 </title>
955
956 <para>
957 The idea of using existential quantification in data type declarations
958 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
959 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
960 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
961 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
962 </para>
963
964 <para>
965
966 <programlisting>
967   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
968            | Nil
969 </programlisting>
970
971 </para>
972
973 <para>
974 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
975 </para>
976
977 <para>
978
979 <programlisting>
980   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
981   Nil   :: Foo
982 </programlisting>
983
984 </para>
985
986 <para>
987 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
988 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
989 For example, the following expression is fine:
990 </para>
991
992 <para>
993
994 <programlisting>
995   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
996 </programlisting>
997
998 </para>
999
1000 <para>
1001 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1002 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1003 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1004 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1005 </para>
1006
1007 <para>
1008 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1009 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1010 </para>
1011
1012 <para>
1013
1014 <programlisting>
1015   f (MkFoo val fn) = ???
1016 </programlisting>
1017
1018 </para>
1019
1020 <para>
1021 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1022 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1023 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1024 </para>
1025
1026 <para>
1027
1028 <programlisting>
1029   f :: Foo -> Bool
1030   f (MkFoo val fn) = fn val
1031 </programlisting>
1032
1033 </para>
1034
1035 <para>
1036 What this allows us to do is to package heterogenous values
1037 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1038 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1039 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1040 </para>
1041
1042 <sect4 id="existential">
1043 <title>Why existential?
1044 </title>
1045
1046 <para>
1047 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1048 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1049 </para>
1050
1051 <para>
1052
1053 <programlisting>
1054   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1055 </programlisting>
1056
1057 </para>
1058
1059 <para>
1060 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1061 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1062 adding a new existential quantification construct.
1063 </para>
1064
1065 </sect4>
1066
1067 <sect4>
1068 <title>Type classes</title>
1069
1070 <para>
1071 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1072 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1073 </para>
1074
1075 <para>
1076
1077 <programlisting>
1078 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1079          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1080 </programlisting>
1081
1082 </para>
1083
1084 <para>
1085 The two constructors have the types you'd expect:
1086 </para>
1087
1088 <para>
1089
1090 <programlisting>
1091 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1092 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1093 </programlisting>
1094
1095 </para>
1096
1097 <para>
1098 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1099 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1100 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1101 So this program is legal:
1102 </para>
1103
1104 <para>
1105
1106 <programlisting>
1107   f :: Baz -> String
1108   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1109                | otherwise = "No"
1110   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1111 </programlisting>
1112
1113 </para>
1114
1115 <para>
1116 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1117 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1118 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1119 extract it on pattern matching.
1120 </para>
1121
1122 <para>
1123 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1124 universal quantification earlier.
1125 </para>
1126
1127 </sect4>
1128
1129 <sect4>
1130 <title>Restrictions</title>
1131
1132 <para>
1133 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1134 constructors can be use.
1135 </para>
1136
1137 <para>
1138
1139 <itemizedlist>
1140 <listitem>
1141
1142 <para>
1143  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1144 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1145 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1146 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1147
1148
1149 <programlisting>
1150 f1 (MkFoo a f) = a
1151 </programlisting>
1152
1153
1154 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1155 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1156 ask what type <function>f1</function> has:
1157
1158
1159 <programlisting>
1160   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1161 </programlisting>
1162
1163
1164 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1165 this:
1166
1167
1168 <programlisting>
1169   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1174
1175
1176 <programlisting>
1177   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1178 </programlisting>
1179
1180
1181 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1182 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1183 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1184
1185
1186 </para>
1187 </listitem>
1188 <listitem>
1189
1190 <para>
1191 You can't pattern-match on an existentially quantified
1192 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1193 bindings. So this is illegal:
1194
1195
1196 <programlisting>
1197   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1198 </programlisting>
1199
1200 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1201
1202 <programlisting>
1203   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1204 </programlisting>
1205
1206 In general, you can only pattern-match
1207 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1208 in the patterns of a function definition.
1209
1210 The reason for this restriction is really an implementation one.
1211 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1212 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1213 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1214 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1215 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1216 annoying it is.
1217
1218 </para>
1219 </listitem>
1220 <listitem>
1221
1222 <para>
1223 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1224 declarations.  So this is illegal:
1225
1226
1227 <programlisting>
1228   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1229 </programlisting>
1230
1231
1232 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1233 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1234 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1235 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1236 You can get just the same efficiency and effect by using
1237 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1238 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1239 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1240 because the <literal>data</literal> version does carry an
1241 implementation cost, but single-field existentially quantified
1242 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1243 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1244 are convincing reasons to change it.
1245
1246
1247 </para>
1248 </listitem>
1249 <listitem>
1250
1251 <para>
1252  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1253 data type with existentially quantified data constructors.
1254
1255 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1256
1257 <programlisting>
1258 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1259 </programlisting>
1260
1261 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1262 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1263
1264 <programlisting>
1265 instance Eq T where
1266   (MkT a) == (MkT b) = ???
1267 </programlisting>
1268
1269 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1270 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1271 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1272 declarations.  Define your own instances!
1273 </para>
1274 </listitem>
1275
1276 </itemizedlist>
1277
1278 </para>
1279
1280 </sect4>
1281 </sect3>
1282
1283 </sect2>
1284
1285
1286
1287 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1288 <title>Class declarations</title>
1289
1290 <para>
1291 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1292 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
1293 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1294 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
1295 Jones, Erik Meijer).
1296 </para>
1297 <para>
1298 There are the following constraints on class declarations:
1299 <OrderedList>
1300 <listitem>
1301
1302 <para>
1303  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1304
1305
1306 <programlisting>
1307   class Collection c a where
1308     union :: c a -> c a -> c a
1309     ...etc.
1310 </programlisting>
1311
1312
1313
1314 </para>
1315 </listitem>
1316 <listitem>
1317
1318 <para>
1319  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1320 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1321 this is OK:
1322
1323
1324 <programlisting>
1325   class C a where {
1326     op :: D b => a -> b -> b
1327   }
1328
1329   class C a => D a where { ... }
1330 </programlisting>
1331
1332
1333 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1334 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1335 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1336
1337 </para>
1338 </listitem>
1339 <listitem>
1340
1341 <para>
1342  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1343 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1344 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1345
1346
1347 <programlisting>
1348   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1349     ...
1350
1351   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1352     lift :: m a -> (t m) a
1353 </programlisting>
1354
1355
1356 </para>
1357 </listitem>
1358
1359 <listitem>
1360
1361 <para>
1362  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1363 mentioned in <xref linkend="type-restrictions">)
1364 from the free varibles of each method type
1365 </emphasis>.  For example:
1366
1367
1368 <programlisting>
1369   class Coll s a where
1370     empty  :: s
1371     insert :: s -> a -> s
1372 </programlisting>
1373
1374
1375 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1376 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1377 types, and has the same motivation.
1378
1379 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1380 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1381
1382
1383 <programlisting>
1384   class Coll s a where
1385     empty  :: s a
1386     insert :: s a -> a -> s a
1387 </programlisting>
1388
1389
1390 which makes the connection between the type of a collection of
1391 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1392 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1393 class like this:
1394
1395
1396 <programlisting>
1397   class CollE s where
1398     empty  :: s
1399
1400   class CollE s => Coll s a where
1401     insert :: s -> a -> s
1402 </programlisting>
1403
1404
1405 </para>
1406 </listitem>
1407
1408 </OrderedList>
1409 </para>
1410
1411 <sect3 id="class-method-types">
1412 <title>Class method types</title>
1413 <para>
1414 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1415 class type variable, thus:
1416 <programlisting>
1417   class Seq s a where
1418     fromList :: [a] -> s a
1419     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1420 </programlisting>
1421 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1422 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1423 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1424 </para>
1425 <para>
1426 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1427 </para>
1428
1429 </sect3>
1430
1431 </sect2>
1432
1433 <sect2 id="type-restrictions">
1434 <title>Type signatures</title>
1435
1436 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1437 <para>
1438 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1439 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1440 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1441 these type signatures are perfectly OK
1442 <programlisting>
1443   g :: Eq [a] => ...
1444   g :: Ord (T a ()) => ...
1445 </programlisting>
1446 </para>
1447 <para>
1448 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1449 Consider the type:
1450
1451 <programlisting>
1452   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1453 </programlisting>
1454
1455 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1456 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1457 explicit source-language type signature are universally quantified,
1458 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1459 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
1460 </para>
1461
1462 <para>
1463
1464 <OrderedList>
1465 <listitem>
1466
1467 <para>
1468  <emphasis>Each universally quantified type variable
1469 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1470
1471 A type variable is "reachable" if it it is functionally dependent
1472 (see <xref linkend="functional-dependencies">)
1473 on the type variables free in <literal>type</literal>.
1474 The reason for this is that a value with a type that does not obey
1475 this restriction could not be used without introducing
1476 ambiguity. 
1477 Here, for example, is an illegal type:
1478
1479
1480 <programlisting>
1481   forall a. Eq a => Int
1482 </programlisting>
1483
1484
1485 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1486 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1487 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1488 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1489 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1490 get any more information about <literal>tv</literal>.
1491
1492 </para>
1493 </listitem>
1494 <listitem>
1495
1496 <para>
1497  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1498 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1499
1500 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1501 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1502
1503
1504 <programlisting>
1505   forall a. C a b => burble
1506 </programlisting>
1507
1508
1509 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1510 mention <literal>a</literal>:
1511
1512
1513 <programlisting>
1514   forall a. Eq b => burble
1515 </programlisting>
1516
1517
1518 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1519 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1520 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1521 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1522 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1523 territory free in case we need it later.
1524
1525 </para>
1526 </listitem>
1527
1528 </OrderedList>
1529
1530 </para>
1531 </sect3>
1532
1533 <sect3 id="hoist">
1534 <title>For-all hoisting</title>
1535 <para>
1536 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms">) at the right hand
1537 end of an arrow, thus:
1538 <programlisting>
1539   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1540
1541   g :: Int -> Discard Int
1542   g x y z = x+y
1543 </programlisting>
1544 Simply expanding the type synonym would give
1545 <programlisting>
1546   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1547 </programlisting>
1548 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1549 <programlisting>
1550   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1551 </programlisting>
1552 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1553 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1554 performs the transformation:</emphasis>
1555 <programlisting>
1556   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1557 ==>
1558   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1559 </programlisting>
1560 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1561 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1562 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1563 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1564 <programlisting>
1565   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1566 </programlisting>
1567 </para>
1568 <para>
1569 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1570 example:
1571 <programlisting>
1572   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1573   g :: Foo (Foo Int)
1574 </programlisting>
1575 means
1576 <programlisting>
1577   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1578 </programlisting>
1579 </para>
1580 </sect3>
1581
1582
1583 </sect2>
1584
1585 <sect2 id="instance-decls">
1586 <title>Instance declarations</title>
1587
1588 <sect3>
1589 <title>Overlapping instances</title>
1590 <para>
1591 In general, <emphasis>instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1592 declarations
1593
1594
1595 <programlisting>
1596   instance context1 => C type1 where ...
1597   instance context2 => C type2 where ...
1598 </programlisting>
1599
1600 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify.
1601
1602 <para>
1603 However, if you give the command line option
1604 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1605 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1606 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1607 if another instance declaration also applies, either now or later.
1608
1609 <itemizedlist>
1610 <listitem>
1611
1612 <para>
1613  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1614 </para>
1615 </listitem>
1616 <listitem>
1617
1618 <para>
1619  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1620 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1621 </para>
1622 </listitem>
1623 </itemizedlist>
1624 Notice that these rules
1625 <itemizedlist>
1626 <listitem>
1627
1628 <para>
1629  make it clear which instance decl to use
1630 (pick the most specific one that matches)
1631
1632 </para>
1633 </listitem>
1634 <listitem>
1635
1636 <para>
1637  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1638 Reason: you can pick which instance decl
1639 "matches" based on the type.
1640 </para>
1641 </listitem>
1642
1643 </itemizedlist>
1644 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1645 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1646 <programlisting>
1647   instance C (Int,a) where ...
1648   instance C (a,Bool) where ...
1649 </programlisting>
1650 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1651 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1652 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1653 </para>
1654 <para>
1655 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1656 <programlisting>
1657   class C a where { op :: a -> a }
1658   instance C [Int] where ...
1659   instance C a => C [a] where ...
1660   
1661   f :: C b => [b] -> [b]
1662   f x = op x
1663 </programlisting>
1664 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1665 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1666 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1667 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1668 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1669 the problem of subsequent instantiations.
1670 </para>
1671 <para>
1672 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1673 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1674 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1675 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1676 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1677 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1678 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1679 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1680 </para>
1681 </sect3>
1682
1683 <sect3>
1684 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1685
1686 <para>
1687 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1688 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1689 As always, using a type synonym is just shorthand for
1690 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1691
1692
1693 <programlisting>
1694   type Point = (Int,Int)
1695   instance C Point   where ...
1696   instance C [Point] where ...
1697 </programlisting>
1698
1699
1700 is legal.  However, if you added
1701
1702
1703 <programlisting>
1704   instance C (Int,Int) where ...
1705 </programlisting>
1706
1707
1708 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1709 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1710 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1711
1712
1713 <programlisting>
1714   type P a = [[a]]
1715   instance Monad P where ...
1716 </programlisting>
1717
1718
1719 This design decision is independent of all the others, and easily
1720 reversed, but it makes sense to me.
1721
1722 </para>
1723 </sect3>
1724
1725 <sect3 id="undecidable-instances">
1726 <title>Undecidable instances</title>
1727
1728 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1729 <orderedlist>
1730 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1731 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1732 For example, these are OK:
1733
1734 <programlisting>
1735   instance C Int a where ...
1736
1737   instance D (Int, Int) where ...
1738
1739   instance E [[a]] where ...
1740 </programlisting>
1741 but this is not:
1742 <programlisting>
1743   instance F a where ...
1744 </programlisting>
1745 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1746 For example, this is OK:
1747 <programlisting>
1748   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1749 </programlisting>
1750 </para>
1751 </listitem>
1752
1753
1754 <listitem>
1755 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1756 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1757 Thus
1758 <programlisting>
1759 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1760 </programlisting>
1761 is OK, but
1762 <programlisting>
1763 instance C Int b => Foo b where ...
1764 </programlisting>
1765 is not OK.
1766 </para>
1767 </listitem>
1768 </OrderedList>
1769 These restrictions ensure that 
1770 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1771 constructor.  For example, the following would make the type checker
1772 loop if it wasn't excluded:
1773 <programlisting>
1774   instance C a => C a where ...
1775 </programlisting>
1776 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1777 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1778 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1779 something more specific does not:
1780
1781
1782 <programlisting>
1783   instance C a where
1784     op = ... -- Default
1785 </programlisting>
1786
1787
1788 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1789 effect of a "class synonym":
1790
1791
1792 <programlisting>
1793   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1794
1795   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1796 </programlisting>
1797
1798
1799 This allows you to write shorter signatures:
1800
1801
1802 <programlisting>
1803   f :: C a => ...
1804 </programlisting>
1805
1806
1807 instead of
1808
1809
1810 <programlisting>
1811   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1812 </programlisting>
1813
1814
1815 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1816 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1817 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1818 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1819 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1820 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1821 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1822 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1823 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1824 </para>
1825 <para>
1826 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1827 allowing these idioms interesting idioms.  
1828 </para>
1829 </sect3>
1830
1831
1832 </sect2>
1833
1834 <sect2 id="implicit-parameters">
1835 <title>Implicit parameters</title>
1836
1837 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1838 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1839 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1840 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1841 Boston, Jan 2000.
1842 </para>
1843
1844 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1845 due to Jeff Lewis.)</para>
1846
1847 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1848 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1849
1850 <para>
1851 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1852 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1853 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1854 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1855 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1856 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1857 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1858 only support static scoping of variables.
1859 </para>
1860 <para>
1861 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1862 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1863 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1864 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1865 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1866 of type <literal>t'</literal>". For
1867 example, the following expresses the type of a sort function,
1868 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1869 <programlisting>
1870   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1871 </programlisting>
1872 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1873 </para>
1874 <para>
1875 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1876 where <literal>x</literal> is
1877 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1878 Use of this construct also introduces a new
1879 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1880 For example, the following definition
1881 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1882 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1883 <programlisting>
1884   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1885
1886   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1887   sort    = sortBy ?cmp
1888 </programlisting>
1889 </para>
1890
1891 <sect3>
1892 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1893 <para>
1894 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1895 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1896 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1897 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1898 to pick out the least value in a list:
1899 <programlisting>
1900   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1901   least xs = fst (sort xs)
1902 </programlisting>
1903 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1904 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1905 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1906 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1907 propagate them.
1908 </para>
1909 <para>
1910 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1911 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1912 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1913 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1914 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1915 class constraints.
1916 </para>
1917
1918 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1919 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1920 <programlisting>
1921   class (?x::Int) => C a where ...
1922   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1923 </programlisting>
1924 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1925 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1926 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1927 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1928 <para>
1929 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
1930 <programlisting>
1931    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
1932    f n = n + length ?x
1933
1934    g :: (Read a, Show a) => String -> String
1935    g s = show (read s)
1936 </programlisting>
1937 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
1938 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
1939 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
1940 </para>
1941 </sect3>
1942
1943 <sect3>
1944 <title>Implicit-parameter bindings</title>
1945
1946 <para>
1947 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
1948 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
1949 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1950 <literal>cmp</literal>.
1951 <programlisting>
1952   min :: [a] -> a
1953   min  = let ?cmp = (<=) in least
1954 </programlisting>
1955 </para>
1956 <para>
1957 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
1958 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
1959 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
1960 or a <literal>where</literal> clause.
1961 Note the following points:
1962 <itemizedlist>
1963 <listitem><para>
1964 An implicit-parameter binding group must be a
1965 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1966 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1967 neither polymorphic or recursive.  
1968 </para></listitem>
1969 <listitem><para>
1970 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1971 single <literal>let</literal>
1972 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1973 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
1974 </para></listitem>
1975
1976 <listitem><para>
1977 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1978 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
1979 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1980 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
1981 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
1982 the meaning of the program.
1983 For example, consider:
1984 <programlisting>
1985   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
1986 </programlisting>
1987 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
1988 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
1989 <programlisting>
1990   f :: (?x::Int) => Int -> Int
1991 </programlisting>
1992 </para></listitem>
1993 </itemizedlist>
1994 </para>
1995
1996 </sect3>
1997 </sect2>
1998
1999 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2000 <title>Linear implicit parameters</title>
2001 <para>
2002 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2003 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2004 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2005 </para>
2006 <itemizedlist>
2007 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2008 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
2009 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2010 </itemizedlist>
2011
2012 <para>
2013 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2014 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2015 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2016 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2017 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2018 </para>
2019 <para>
2020 For example:
2021 <programlisting>
2022     import GHC.Exts( Splittable )
2023
2024     data NameSupply = ...
2025     
2026     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2027     newName :: NameSupply -> Name
2028
2029     instance Splittable NameSupply where
2030         split = splitNS
2031
2032
2033     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2034     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2035                     where
2036                       x'   = newName %ns
2037                       env' = extend env x x'
2038     ...more equations for f...
2039 </programlisting>
2040 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2041 <itemizedlist>
2042 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2043 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2044 </itemizedlist>
2045 </para>
2046 <para>
2047 So the translation done by the type checker makes
2048 the parameter explicit:
2049 <programlisting>
2050     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2051     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2052                        where
2053                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2054                          x' = newName ns2
2055                          env = extend env x x'
2056 </programlisting>
2057 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2058 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2059 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2060 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2061 <programlisting>
2062         class Splittable a where
2063           split :: a -> (a,a)
2064 </programlisting>
2065 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2066 split for name supplies.  But we can simply write
2067 <programlisting>
2068         g x = (x, %ns, %ns)
2069 </programlisting>
2070 and GHC will infer
2071 <programlisting>
2072         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2073 </programlisting>
2074 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2075 <literal>GHC.Exts</literal>.
2076 </para>
2077 <para>
2078 Other points:
2079 <itemizedlist>
2080 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2081 are entirely distinct implicit parameters: you 
2082   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2083 </listitem>
2084
2085 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2086
2087 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2088   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2089 </itemizedlist>
2090 </para>
2091
2092 <sect3><title>Warnings</title>
2093
2094 <para>
2095 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2096 Consider the example above:
2097 <programlisting>
2098     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2099     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2100                     where
2101                       x'   = newName %ns
2102                       env' = extend env x x'
2103 </programlisting>
2104 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2105 usually a harmless thing to do, we get:
2106 <programlisting>
2107     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2108     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2109                     where
2110                       env' = extend env x (newName %ns)
2111 </programlisting>
2112 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2113 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2114 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2115 the beta rule.
2116 </para>
2117 <para>
2118 Well, this is an experimental change.  With implicit
2119 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2120 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2121 Haskell programs without knowing their typing.
2122 </para>
2123
2124 </sect3>
2125
2126 <sect3><title>Recursive functions</title>
2127 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2128 Consider
2129 <programlisting>
2130         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2131         foo 0 = []
2132         foo n = %x : foo (n-1)
2133 </programlisting>
2134 where T is some type in class Splittable.</para>
2135 <para>
2136 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2137 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2138 </para><para>
2139 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2140 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2141 translated term, where the implicit param is made explicit:
2142 <programlisting>
2143         foo x 0 = []
2144         foo x n = let (x1,x2) = split x
2145                   in x1 : foo x2 (n-1)
2146 </programlisting>
2147 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2148 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2149 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2150 work.  So the translation becomes
2151 <programlisting>
2152         foo x = let
2153                   foom 0 = []
2154                   foom n = x : foom (n-1)
2155                 in
2156                 foom
2157 </programlisting>
2158 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2159 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2160 Yikes!
2161 </para><para>
2162 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2163 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2164 </para>
2165 </sect3>
2166
2167 </sect2>
2168
2169 <sect2 id="functional-dependencies">
2170 <title>Functional dependencies
2171 </title>
2172
2173 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2174 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2175 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2176 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2177 .
2178 </para>
2179 <para>
2180 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2181 class declaration;  e.g. 
2182 <programlisting>
2183   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2184
2185   class Foo a b c | a b -> c where ...
2186 </programlisting>
2187 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2188 </para>
2189 </sect2>
2190
2191
2192
2193 <sect2 id="sec-kinding">
2194 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2195
2196 <para>
2197 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2198 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2199 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2200 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2201 John Hughes had to define the data type:
2202 <Screen>
2203      data Set cxt a = Set [a]
2204                     | Unused (cxt a -> ())
2205 </Screen>
2206 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2207 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2208 </para>
2209 <para>
2210 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2211 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2212 <itemizedlist>
2213 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2214 <Screen>
2215   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2216 </Screen></para></listitem>
2217 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2218 <Screen>
2219   type T (f :: * -> *) = f Int
2220 </Screen></para></listitem>
2221 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2222 <Screen>
2223   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2224 </Screen></para></listitem>
2225 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2226 <Screen>
2227   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2228 </Screen></para></listitem>
2229 </itemizedlist>
2230 </para>
2231
2232 <para>
2233 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2234 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2235 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2236 single lexeme in Haskell.
2237 </para>
2238
2239 <para>
2240 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2241 as well.  Thus:
2242 <Screen>
2243    f :: (Int :: *) -> Int
2244    g :: forall a. a -> (a :: *)
2245 </Screen>
2246 The syntax is
2247 <Screen>
2248    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2249 </Screen>
2250 The parentheses are required.
2251 </para>
2252 </sect2>
2253
2254
2255 <sect2 id="universal-quantification">
2256 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2257 </title>
2258
2259 <para>
2260 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2261 allows us to say exactly what this means.  For example:
2262 </para>
2263 <para>
2264 <programlisting>
2265         g :: b -> b
2266 </programlisting>
2267 means this:
2268 <programlisting>
2269         g :: forall b. (b -> b)
2270 </programlisting>
2271 The two are treated identically.
2272 </para>
2273
2274 <para>
2275 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2276 explicit universal quantification in
2277 types. 
2278 For example, all the following types are legal:
2279 <programlisting>
2280     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2281     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2282
2283     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2284     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2285
2286     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2287 </programlisting>
2288 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2289 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2290 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2291 is implicitly added by Haskell.
2292 </para>
2293 <para>
2294 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2295 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
2296 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2297 </para>
2298 <para>
2299 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2300 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2301 </para>
2302 <para>
2303 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2304 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2305 that restriction has now been lifted.)
2306 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2307 including an operational type class context, is legal:
2308 <itemizedlist>
2309 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2310 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
2311 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2312 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2313 field type signatures.</para> </listitem>
2314 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2315 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
2316 </itemizedlist>
2317 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2318 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2319 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2320 <programlisting>
2321     x1 :: [forall a. a->a]
2322     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2323     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2324 </programlisting>
2325 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2326 a type variable any more!
2327 </para>
2328
2329
2330 <sect3 id="univ">
2331 <title>Examples
2332 </title>
2333
2334 <para>
2335 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2336 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2337 </para>
2338
2339 <para>
2340
2341 <programlisting>
2342 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2343
2344 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2345                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2346                         }
2347
2348 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2349 </programlisting>
2350
2351 </para>
2352
2353 <para>
2354 The constructors have rank-2 types:
2355 </para>
2356
2357 <para>
2358
2359 <programlisting>
2360 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2361 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2362                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2363                   -> MonadT m
2364 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2365 </programlisting>
2366
2367 </para>
2368
2369 <para>
2370 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2371 explicit context.  For example in the first argument of the
2372 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2373 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2374 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2375 mentioned in the type quantified over.
2376 </para>
2377
2378 <para>
2379 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2380 types too.  So if you write this:
2381
2382 <programlisting>
2383   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2384 </programlisting>
2385
2386 it's just as if you had written this:
2387
2388 <programlisting>
2389   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2390 </programlisting>
2391
2392 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2393 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2394 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2395 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2396 </para>
2397
2398 <para>
2399 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2400 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2401 </para>
2402
2403 <para>
2404
2405 <programlisting>
2406     a1 :: T Int
2407     a1 = T1 (\xy->x) 3
2408     
2409     a2, a3 :: Swizzle
2410     a2 = MkSwizzle sort
2411     a3 = MkSwizzle reverse
2412     
2413     a4 :: MonadT Maybe
2414     a4 = let r x = Just x
2415              b m k = case m of
2416                        Just y -> k y
2417                        Nothing -> Nothing
2418          in
2419          MkMonad r b
2420
2421     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2422     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2423 </programlisting>
2424
2425 </para>
2426
2427 <para>
2428 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2429 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2430 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2431 </para>
2432
2433 <para>
2434 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2435 polymorphic types.  For example:
2436 </para>
2437
2438 <para>
2439
2440 <programlisting>
2441     f :: T a -> a -> (a, Char)
2442     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2443
2444     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2445     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2446
2447     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2448     h m [] = return m []
2449     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2450                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2451                  return m (y:ys)
2452 </programlisting>
2453
2454 </para>
2455
2456 <para>
2457 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2458 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2459 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2460 matching.
2461 </para>
2462 </sect3>
2463
2464 <sect3>
2465 <title>Type inference</title>
2466
2467 <para>
2468 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2469 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2470 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2471 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2472 </para>
2473 <para>
2474 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2475 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2476 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2477 </para>
2478 <para>
2479 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2480 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2481 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2482 <programlisting>
2483      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2484 </programlisting>
2485 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2486 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2487 <programlisting>
2488      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2489 </programlisting>
2490 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2491 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2492 one can give a type signature for the function itself:
2493 <programlisting>
2494      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2495      h f = (f True, f 'c')
2496 </programlisting>
2497 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2498 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2499 <programlisting>
2500     f :: T a -> a -> (a, Char)
2501     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2502 </programlisting>
2503 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2504 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2505 it needs to know.
2506 </para>
2507
2508 </sect3>
2509
2510
2511 <sect3 id="implicit-quant">
2512 <title>Implicit quantification</title>
2513
2514 <para>
2515 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2516 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2517 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2518 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2519 equivalent:
2520 <programlisting>
2521   f :: a -> a
2522   f :: forall a. a -> a
2523
2524   g (x::a) = let
2525                 h :: a -> b -> b
2526                 h x y = y
2527              in ...
2528   g (x::a) = let
2529                 h :: forall b. a -> b -> b
2530                 h x y = y
2531              in ...
2532 </programlisting>
2533 </para>
2534 <para>
2535 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2536 point.  For example:
2537 <programlisting>
2538   f :: (a -> a) -> Int
2539            -- MEANS
2540   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2541            -- NOT
2542   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2543
2544
2545   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2546            -- MEANS the illegal type
2547   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2548            -- NOT
2549   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2550 </programlisting>
2551 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2552 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2553 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2554 for rank-2 types.
2555 </para>
2556 </sect3>
2557 </sect2>
2558
2559
2560
2561
2562 <sect2 id="scoped-type-variables">
2563 <title>Scoped type variables
2564 </title>
2565
2566 <para>
2567 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2568 variable</emphasis>.  For example
2569 </para>
2570
2571 <para>
2572
2573 <programlisting>
2574 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2575            where
2576               ys :: [a]
2577               ys = reverse xs
2578 </programlisting>
2579
2580 </para>
2581
2582 <para>
2583 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2584 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2585 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2586 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2587 </para>
2588
2589 <para>
2590  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2591 type signatures.  The two can be used independently or together.
2592 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2593 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2594 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2595 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2596 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2597 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2598 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2599 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2600 it becomes possible to do so.
2601 </para>
2602
2603 <para>
2604 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2605 implementations differ from the specification below, those differences
2606 are noted.
2607 </para>
2608
2609 <para>
2610 So much for the basic idea.  Here are the details.
2611 </para>
2612
2613 <sect3>
2614 <title>What a pattern type signature means</title>
2615 <para>
2616 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2617 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2618 of the same name mean the same type.  For example:
2619 <programlisting>
2620   f :: [Int] -> Int -> Int
2621   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2622 </programlisting>
2623 The pattern type signatures on the left hand side of
2624 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2625 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2626 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2627 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2628 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2629 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2630 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2631 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2632 For example, all of these are legal:</para>
2633
2634 <programlisting>
2635   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2636
2637   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2638
2639   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2640
2641   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2642         in k x                  -- environment
2643
2644   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2645   k (x::Int) False = ...
2646
2647   w :: [b] -> [b]
2648   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2649 </programlisting>
2650
2651 </sect3>
2652
2653 <sect3>
2654 <title>Scope and implicit quantification</title>
2655
2656 <para>
2657
2658 <itemizedlist>
2659 <listitem>
2660
2661 <para>
2662 All the type variables mentioned in a pattern,
2663 that are not already in scope,
2664 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2665 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2666 For example:
2667 <programlisting>
2668   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2669              in
2670              g (x,True)
2671 </programlisting>
2672 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2673 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2674 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2675 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2676 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2677 </para>
2678 </listitem>
2679
2680 <listitem>
2681 <para>
2682 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2683 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2684 <programlisting>
2685   let
2686     f (x::a) = <...rhs of f...>
2687     (p::b, q::b) = (1,2)
2688   in <...body of let...>
2689 </programlisting>
2690 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2691 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2692 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2693 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2694 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2695 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2696 </para>
2697 </listitem>
2698
2699
2700 <listitem>
2701 <para>
2702 The type variables bound by the pattern may be 
2703 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2704 type signatures anywhere within their scope.
2705
2706 </para>
2707 </listitem>
2708
2709 <listitem>
2710 <para>
2711  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2712 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2713
2714 </para>
2715 </listitem>
2716
2717 <listitem>
2718
2719 <para>
2720  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2721 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2722
2723 <programlisting>
2724   f :: a -> a
2725   f x = x::a
2726 </programlisting>
2727
2728 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2729 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2730 and that is an incorrect typing.
2731
2732 </para>
2733 </listitem>
2734
2735 <listitem>
2736 <para>
2737 The pattern type signature is a monotype:
2738 </para>
2739
2740 <itemizedlist>
2741 <listitem> <para> 
2742 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2743 </para> </listitem>
2744
2745 <listitem>  <para> 
2746 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2747 not to type schemes.
2748 </para> </listitem>
2749
2750 <listitem>  <para> 
2751 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2752 ordinary type signatures).
2753 </para> </listitem>
2754
2755 </itemizedlist>
2756
2757 </listitem>
2758
2759 <listitem>
2760 <para>
2761
2762 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2763 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2764
2765
2766 <programlisting>
2767   class C a where
2768     op :: [a] -> a
2769
2770     op xs = let ys::[a]
2771                 ys = reverse xs
2772             in
2773             head ys
2774 </programlisting>
2775
2776
2777 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2778 </para>
2779 </listitem>
2780
2781 </itemizedlist>
2782
2783 </para>
2784
2785 </sect3>
2786
2787 <sect3>
2788 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2789
2790 <para>
2791 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2792 <itemizedlist>
2793
2794 <listitem>
2795 <para>
2796 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2797 ust on a variable:
2798
2799
2800 <programlisting>
2801   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2802 </programlisting>
2803
2804
2805 </para>
2806 </listitem>
2807 <listitem>
2808
2809 <para>
2810  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2811 in lambda abstractions:
2812
2813 <programlisting>
2814   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2815 </programlisting>
2816 </para>
2817 </listitem>
2818 <listitem>
2819
2820 <para>
2821  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2822 in <literal>case</literal> expressions:
2823
2824
2825 <programlisting>
2826   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2827 </programlisting>
2828
2829 </para>
2830 </listitem>
2831
2832 <listitem>
2833 <para>
2834 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2835 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2836 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2837 consider how one would parse this:
2838
2839
2840 <programlisting>
2841   \ x :: a -> b -> x
2842 </programlisting>
2843
2844
2845 </para>
2846 </listitem>
2847
2848 <listitem>
2849
2850 <para>
2851  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2852 For example:
2853
2854
2855 <programlisting>
2856   data T = forall a. MkT [a]
2857
2858   f :: T -> T
2859   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2860                  where
2861                    t3::[a] = [t,t,t]
2862 </programlisting>
2863
2864
2865 </para>
2866 </listitem>
2867
2868
2869 <listitem>
2870
2871 <para>
2872 Pattern type signatures 
2873 can be used in pattern bindings:
2874
2875 <programlisting>
2876   f x = let (y, z::a) = x in ...
2877   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2878   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2879   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2880 </programlisting>
2881
2882 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2883 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2884 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2885 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2886 In contrast, the binding
2887 <programlisting>
2888   f4 :: b->b
2889   f4 = \x -> x
2890 </programlisting>
2891 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2892 in <literal>f4</literal>'s scope.
2893
2894 </para>
2895 </listitem>
2896 </itemizedlist>
2897 </para>
2898
2899 </sect3>
2900
2901 <sect3>
2902 <title>Result type signatures</title>
2903
2904 <para>
2905 The result type of a function can be given a signature, thus:
2906
2907
2908 <programlisting>
2909   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2910 </programlisting>
2911
2912
2913 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2914 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2915 you want:
2916
2917
2918 <programlisting>
2919   f :: Int -> [a] -> [a]
2920   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2921                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2922 </programlisting>
2923
2924 </para>
2925 <para>
2926 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
2927 of the definition. However, consider this corner-case:
2928 <programlisting>
2929   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2930
2931   foo ys = rev (ys::[a])
2932 </programlisting>
2933 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
2934 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
2935 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
2936 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
2937 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
2938 </para>
2939 <para>
2940 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
2941 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
2942 is polymorphic:
2943 <programlisting>
2944   rev1 :: [b] -> [b]
2945   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2946 </programlisting>
2947 </para>
2948
2949 <para>
2950 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2951 </para>
2952
2953 </sect3>
2954
2955 </sect2>
2956
2957 <sect2 id="deriving-typeable">
2958 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
2959
2960 <para>
2961 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
2962 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
2963 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
2964 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
2965 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
2966 </para>
2967 <para>
2968 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
2969 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
2970 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
2971 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
2972 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
2973 </para>
2974 </sect2>
2975
2976 <sect2 id="newtype-deriving">
2977 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2978
2979 <para>
2980 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2981 the new type to inherit some instances from its representation. In
2982 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2983 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2984 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2985 example, if you define
2986
2987 <programlisting> 
2988   newtype Dollars = Dollars Int 
2989 </programlisting> 
2990
2991 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2992 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2993
2994 <programlisting> 
2995   instance Num Dollars where
2996     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2997     ...
2998 </programlisting>
2999 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3000 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3001 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3002 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3003 dictionary, only slower!
3004 </para>
3005
3006
3007 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3008 <para>
3009 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3010 <programlisting> 
3011   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3012 </programlisting> 
3013
3014 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3015 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3016 derives an instance declaration of the form
3017
3018 <programlisting> 
3019   instance Num Int => Num Dollars
3020 </programlisting> 
3021
3022 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3023 </para>
3024 <para>
3025
3026 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3027 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3028 transformers, such that
3029
3030 <programlisting> 
3031   instance Monad m => Monad (State s m) 
3032   instance Monad m => Monad (Failure m)
3033 </programlisting> 
3034 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3035 <programlisting> 
3036   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3037 </programlisting> 
3038
3039 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3040 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3041 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3042
3043 <programlisting> 
3044   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3045                          deriving Monad
3046 </programlisting>
3047 In this case the derived instance declaration is of the form 
3048 <programlisting> 
3049   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3050 </programlisting> 
3051
3052 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3053 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3054 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3055 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3056 declaration.
3057 </para>
3058 <para>
3059
3060 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3061 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3062 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3063 clause. For example, given the class
3064
3065 <programlisting> 
3066   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3067   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3068 </programlisting> 
3069 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3070 <programlisting> 
3071   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3072                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3073 </programlisting>
3074
3075 The derived instance is obtained by completing the application of the
3076 class to the new type:
3077
3078 <programlisting> 
3079   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3080            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3081 </programlisting>
3082 </para>
3083 <para>
3084
3085 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3086 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3087 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3088 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3089 the newtype and its representation.
3090 </para>
3091 </sect3>
3092
3093 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3094 <para>
3095 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3096 declaration (after expansion of any type synonyms)
3097
3098 <programlisting> 
3099   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3100 </programlisting> 
3101
3102 where 
3103  <itemizedlist>
3104 <listitem><para>
3105   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3106 </para></listitem>
3107 <listitem><para>
3108   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3109 </para></listitem>
3110 <listitem><para>
3111   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3112   the <literal>ti</literal>, and
3113 </para></listitem>
3114 <listitem><para>
3115   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3116   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3117   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3118 </para></listitem>
3119 <listitem><para>
3120   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3121                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3122                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3123                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3124                 via this new mechanism.  
3125 </para></listitem>
3126 </itemizedlist>
3127 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3128 declaration is:
3129 <programlisting> 
3130   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3131 </programlisting>
3132 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3133 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3134 </para>
3135 <para>
3136
3137 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3138 <programlisting> 
3139   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3140 </programlisting> 
3141 Here we cannot derive the instance 
3142 <programlisting> 
3143   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3144 </programlisting> 
3145
3146 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3147 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3148 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3149 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3150 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3151 </para>
3152 <para>
3153
3154 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3155 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3156 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3157
3158 <programlisting> 
3159   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3160 </programlisting>
3161
3162 then we would not have been able to derive an instance for the
3163 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3164 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3165 instances is most interesting.
3166 </para>
3167 </sect3>
3168
3169 </sect2>
3170
3171
3172 </sect1>
3173 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3174   
3175 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3176
3177 <sect1 id="template-haskell">
3178 <title>Template Haskell</title>
3179
3180 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3181 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3182 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3183 the background to
3184 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3185 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3186 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3187 </para>
3188
3189 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3190 </para>
3191
3192 <para>
3193 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3194 Tim Sheard is going to expand it.)
3195 </para>
3196
3197     <sect2>
3198       <title>Syntax</title>
3199
3200       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3201       constructions.  You need to use the flag
3202       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3203       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3204       (<option>-fth</option> is currently implied by
3205       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3206       specify it explicitly).</para>
3207
3208         <itemizedlist>
3209               <listitem><para>
3210                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3211                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3212                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3213                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3214                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3215                   </para>
3216               <para> A splice can occur in place of 
3217                   <itemizedlist>
3218                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3219                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3220                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3221                     </itemizedlist>
3222            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3223         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3224         as in the paper.)
3225                 </para></listitem>
3226
3227
3228               <listitem><para>
3229                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3230                   <itemizedlist>
3231                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3232                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3233                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3234                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3235                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3236                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3237                   </itemizedlist></para></listitem>
3238
3239               <listitem><para>
3240                   Reification is written thus:
3241                   <itemizedlist>
3242                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3243                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3244                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3245                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3246                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3247                     
3248                   </itemizedlist></para>
3249                 </listitem>
3250
3251                   
3252         </itemizedlist>
3253 </sect2>
3254
3255 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3256 <para>
3257 <itemizedlist>
3258     <listitem><para>
3259     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3260     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3261     </para></listitem>
3262
3263     <listitem><para>
3264     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3265             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3266             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3267    </para></listitem>
3268
3269     <listitem><para>
3270             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3271    </para></listitem>
3272     <listitem><para>
3273             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3274               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3275               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3276               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3277               those of the compiler itself.
3278    </para></listitem>
3279 </itemizedlist>
3280 </para>
3281 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3282         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3283         has been lifted.
3284 </para>
3285 </sect2>
3286  
3287 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3288 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3289   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3290
3291 <programlisting>
3292 {- Main.hs -}
3293 module Main where
3294
3295 -- Import our template "pr"
3296 import Printf ( pr )
3297
3298 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3299 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3300 -- the argument of "putStrLn".
3301 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3302 </programlisting>
3303
3304 <programlisting>
3305 {- Printf.hs -}
3306 module Printf where
3307
3308 -- Skeletal printf from the paper.
3309 -- It needs to be in a separate module to the one where
3310 -- you intend to use it.
3311
3312 -- Import some Template Haskell syntax
3313 import Language.Haskell.THSyntax
3314
3315 -- Describe a format string
3316 data Format = D | S | L String
3317
3318 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3319 -- as we are here interested in building our first ever
3320 -- Template Haskell program and not in building printf.
3321 parse :: String -> [Format]
3322 parse s   = [ L s ]
3323
3324 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3325 -- of the format string.  This code will be spliced into
3326 -- the module which calls "pr", at compile time.
3327 gen :: [Format] -> Expr
3328 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3329 gen [S]   = [| \s -> s |]
3330 gen [L s] = string s
3331
3332 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3333 -- from an input format string.
3334 pr :: String -> Expr
3335 pr s      = gen (parse s)
3336 </programlisting>
3337
3338 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3339 </para>
3340 <programlisting>
3341 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3342 </programlisting>
3343
3344 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3345
3346 <programlisting>
3347 $ ./main
3348 Hello
3349 </programlisting>
3350
3351 </sect2>
3352  
3353 </sect1>
3354
3355 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3356
3357 <sect1 id="arrow-notation">
3358 <title>Arrow notation
3359 </title>
3360
3361 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3362 For more details, see
3363 <itemizedlist>
3364
3365 <listitem>
3366 <para>
3367 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3368 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3369 pp67&ndash;111, May 2000.
3370 </para>
3371 </listitem>
3372
3373 <listitem>
3374 <para>
3375 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3376 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3377 </para>
3378 </listitem>
3379
3380 <listitem>
3381 <para>
3382 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3383 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3384 Palgrave, 2003.
3385 </para>
3386 </listitem>
3387
3388 </itemizedlist>
3389 and the arrows web page at
3390 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3391 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3392 notation described in the second of these papers.
3393 What follows is a brief introduction to the notation;
3394 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3395 This notation is translated to ordinary Haskell,
3396 using combinators from the
3397 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3398 module.
3399 </para>
3400
3401 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows,
3402 of the form <literal>proc pat -> cmd</literal>,
3403 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3404 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3405 <literal>proc</literal>-expression,
3406 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3407 The syntax of commands is as follows:
3408 <screen>
3409 cmd   ::= exp1 -&lt;  exp2
3410        |  exp1 -&lt;&lt; exp2
3411        |  do { cstmt1 .. cstmtn ; cmd }
3412        |  let decls in cmd
3413        |  if exp then cmd1 else cmd2
3414        |  case exp of { calts }
3415        |  cmd1 qop cmd2
3416        |  (| aexp cmd1 .. cmdn |)
3417        |  \ pat1 .. patn -> cmd
3418        |  cmd aexp
3419        |  ( cmd )
3420
3421 cstmt ::= let decls
3422        |  pat &lt;- cmd
3423        |  rec { cstmt1 .. cstmtn }
3424        |  cmd
3425 </screen>
3426 Commands produce values, but (like monadic computations)
3427 may yield more than one value,
3428 or none, and may do other things as well.
3429 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3430 using commands.
3431 However the values of expressions, even monadic ones,
3432 are determined by the values of the variables they contain;
3433 this is not necessarily the case for commands.
3434 </para>
3435
3436 <para>
3437 A simple example of the new notation is the expression
3438 <screen>
3439 proc x -> f -&lt; x+1
3440 </screen>
3441 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3442 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3443 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3444 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3445 It refers to the input to the arrow.
3446 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3447 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3448 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3449 (The weird look will make more sense later.)
3450 It may be read as analogue of application for arrows.
3451 The above example is equivalent to the Haskell expression
3452 <screen>
3453 arr (\ x -> x+1) >>> f
3454 </screen>
3455 That would make no sense if the expression to the left of
3456 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3457 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3458 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3459 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3460 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3461 <screen>
3462 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3463 </screen>
3464 which is equivalent to
3465 <screen>
3466 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3467 </screen>
3468 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3469 class.
3470 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3471 you may find a monadic formulation more convenient.
3472 </para>
3473
3474 <sect2>
3475 <title>do-notation for commands</title>
3476
3477 <para>
3478 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3479 For example, you can write
3480 <screen>
3481 proc x -> do
3482         y &lt;- f -&lt; x+1
3483         g -&lt; 2*y
3484         let z = x+y
3485         t &lt;- h -&lt; x*z
3486         returnA -&lt; t+z
3487 </screen>
3488 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3489 but with commands in place of monadic expressions.
3490 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3491 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3492 <literal>y</literal>.
3493 In the next line, the output is discarded.
3494 The arrow <literal>returnA</literal> is defined in the
3495 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3496 module as <literal>arr id</literal>.
3497 The above example is treated as an abbreviation for
3498 <screen>
3499 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3500         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3501         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3502         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3503         arr snd >>>
3504         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3505         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3506         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3507         returnA
3508 </screen>
3509 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3510 After simplification using rewrite rules (see <xref linkEnd="rewrite-rules">)
3511 defined in the
3512 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3513 module, this reduces to
3514 <screen>
3515 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3516         first f >>>
3517         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3518         first g >>>
3519         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3520         first h >>>
3521         arr (\ (t, z) -> t+z)
3522 </screen>
3523 which is what you might have written by hand.
3524 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3525 </para>
3526
3527 <para>
3528 Note that although the above translation suggests that
3529 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3530 monomorphic, the actual translation produces Core,
3531 so polymorphic variables are allowed.
3532 </para>
3533
3534 <para>
3535 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3536 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3537 <screen>
3538 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3539 counter = proc reset -> do
3540         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3541                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3542         returnA -&lt; output
3543 </screen>
3544 The translation of such forms uses the <literal>loop</literal> combinator,
3545 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3546 </para>
3547
3548 </sect2>
3549
3550 <sect2>
3551 <title>Conditional commands</title>
3552
3553 <para>
3554 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3555 input for an arrow.
3556 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3557 <screen>
3558 proc (x,y) ->
3559         if f x y
3560         then g -&lt; x+1
3561         else h -&lt; y+2
3562 </screen>
3563 which is translated to
3564 <screen>
3565 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3566         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3567 </screen>
3568 Since the translation uses <literal>|||</literal>,
3569 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3570 </para>
3571
3572 <para>
3573 There are also <literal>case</literal> commands, like
3574 <screen>
3575 case input of
3576     [] -> f -&lt; ()
3577     [x] -> g -&lt; x+1
3578     x1:x2:xs -> do
3579         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3580         ys &lt;- k -&lt; xs
3581         returnA -&lt; y:ys
3582 </screen>
3583 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3584 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3585 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3586 </para>
3587
3588 </sect2>
3589
3590 <sect2>
3591 <title>Defining your own control structures</title>
3592
3593 <para>
3594 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3595 modelled on those for expressions,
3596 for sequencing, value recursion and conditionals.
3597 But suitable combinators,
3598 which you can define in ordinary Haskell,
3599 may also be used to build new commands out of existing ones.
3600 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3601 These environments assign values to the free local variables of the command.
3602 Thus combinators that produce arrows from arrows
3603 may also be used to build commands from commands.
3604 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3605 <programlisting>
3606 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3607 </programlisting>
3608 so we can use it to build commands:
3609 <programlisting>
3610 expr' = proc x ->
3611                 returnA -&lt; x
3612         &lt;+> do
3613                 symbol Plus -&lt; ()
3614                 y &lt;- term -&lt; ()
3615                 expr' -&lt; x + y
3616         &lt;+> do
3617                 symbol Minus -&lt; ()
3618                 y &lt;- term -&lt; ()
3619                 expr' -&lt; x - y
3620 </programlisting>
3621 This is equivalent to
3622 <programlisting>
3623 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3624         &lt;+> (proc x -> do
3625                 symbol Plus -&lt; ()
3626                 y &lt;- term -&lt; ()
3627                 expr' -&lt; x + y)
3628         &lt;+> (proc x -> do
3629                 symbol Minus -&lt; ()
3630                 y &lt;- term -&lt; ()
3631                 expr' -&lt; x - y)
3632 </programlisting>
3633 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3634 (representing the environment input to the command
3635 and thence to its subcommands)
3636 and satisfy the corresponding naturality property
3637 <screen>
3638 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3639 </screen>
3640 at least for strict <literal>k</literal>.
3641 (This should be automatic if you're not using <literal>seq</literal>.)
3642 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3643 of the whole command,
3644 and also allows the translation to safely trim these environments.
3645 The operator must also not use any variable defined within the current
3646 arrow abstraction.
3647 </para>
3648
3649 <para>
3650 We could define our own operator
3651 <programlisting>
3652 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3653 untilA body cond = proc x ->
3654         if cond x then returnA -&lt; ()
3655         else do
3656                 body -&lt; x
3657                 untilA body cond -&lt; x
3658 </programlisting>
3659 and use it in the same way.
3660 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3661 there is also a more general syntax involving special brackets:
3662 <screen>
3663 proc x -> do
3664         y &lt;- f -&lt; x+1
3665         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3666 </screen>
3667 </para>
3668
3669 </sect2>
3670
3671 <sect2>
3672 <title>Primitive constructs</title>
3673
3674 <para>
3675 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3676 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3677 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3678 exception that occurred to the handler.
3679 Such an operator might have a type
3680 <screen>
3681 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3682 </screen>
3683 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3684 You could then use this with arrow notation by writing a command
3685 <screen>
3686 body `handleA` \ ex -> handler
3687 </screen>
3688 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3689 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3690 and the command <literal>handler</literal>,
3691 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3692 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3693 we are talking about commands, and something different is going on.
3694 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3695 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3696 In all the prior examples, this stack was empty.
3697 In the second argument to <literal>handleA</literal>,
3698 this stack consists of one value, the value of the exception.
3699 The command form of lambda merely gives this value a name.
3700 </para>
3701
3702 <para>
3703 More concretely,
3704 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3705 So when designing operators like <literal>handleA</literal> that pass
3706 extra inputs to their subcommands,
3707 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3708 should have the form
3709 <screen>
3710 a (...(e,t1), ... tn) t
3711 </screen>
3712 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3713 (representing the environment)
3714 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3715 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3716 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3717 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3718 <replaceable>t</replaceable>.
3719 However the arrows involved need not be the same.
3720 Here are some more examples of suitable operators:
3721 <screen>
3722 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3723 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3724 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3725 </screen>
3726 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3727 by applying them to ordinary expressions, as in
3728 <screen>
3729 proc x -> do
3730         s &lt;- ...
3731         (|runReader (do { ... })|) s
3732 </screen>
3733 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3734 built using <literal>runReader</literal>.
3735 </para>
3736
3737 <para>
3738 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3739 the expression versions.
3740 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3741 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3742 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3743 though the results would be somewhat clumsy.
3744 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3745 <programlisting>
3746 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3747 u `bind` f = returnA &&& u >>> f
3748
3749 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3750 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3751 </programlisting>
3752 We could simulate <literal>do</literal> by defining
3753 <programlisting>
3754 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3755 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3756 </programlisting>
3757 </para>
3758
3759 </sect2>
3760
3761 <sect2>
3762 <title>Differences with the paper</title>
3763
3764 <itemizedlist>
3765
3766 <listitem>
3767 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3768 translations, the implementation provides two forms
3769 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3770 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3771 </para>
3772 </listitem>
3773
3774 <listitem>
3775 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3776 a new <literal>form</literal> keyword.
3777 </para>
3778 </listitem>
3779
3780 </itemizedlist>
3781
3782 </sect2>
3783
3784 <sect2>
3785 <title>Portability</title>
3786
3787 <para>
3788 Although only GHC implements arrow notation directly,
3789 there is also a preprocessor
3790 (available from the 
3791 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
3792 that translates arrow notation into Haskell 98
3793 for use with other Haskell systems.
3794 You would still want to check arrow programs with GHC;
3795 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
3796 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
3797 additional restrictions:
3798 <itemizedlist>
3799
3800 <listitem>
3801 <para>
3802 The module must import
3803 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
3804 </para>
3805 </listitem>
3806
3807 <listitem>
3808 <para>
3809 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
3810 These would have to go in separate modules.
3811 </para>
3812 </listitem>
3813
3814 <listitem>
3815 <para>
3816 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
3817 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
3818 </para>
3819 </listitem>
3820
3821 </itemizedlist>
3822 </para>
3823
3824 </sect2>
3825
3826 </sect1>
3827
3828 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3829
3830 <sect1 id="sec-assertions">
3831 <title>Assertions
3832 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3833 </title>
3834
3835 <para>
3836 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3837 could define a function like the following:
3838 </para>
3839
3840 <para>
3841
3842 <programlisting>
3843 assert :: Bool -> a -> a
3844 assert False x = error "assertion failed!"
3845 assert _     x = x
3846 </programlisting>
3847
3848 </para>
3849
3850 <para>
3851 which works, but gives you back a less than useful error message --
3852 an assertion failed, but which and where?
3853 </para>
3854
3855 <para>
3856 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3857 takes a descriptive string to include in the error message and
3858 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3859 the source location where <function>assert</function> was used.
3860 </para>
3861
3862 <para>
3863 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3864 use of <function>assert</function> in the user's source:
3865 </para>
3866
3867 <para>
3868
3869 <programlisting>
3870 kelvinToC :: Double -> Double
3871 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3872 </programlisting>
3873
3874 </para>
3875
3876 <para>
3877 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3878 assertion was made,
3879 </para>
3880
3881 <para>
3882
3883 <programlisting>
3884 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3885 </programlisting>
3886
3887 </para>
3888
3889 <para>
3890 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3891 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3892 can still define and use your own versions of
3893 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3894 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3895 <function>assert</function> in your code.
3896 </para>
3897
3898 <para>
3899 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3900 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3901 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3902 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3903 <literal>e</literal>.
3904 </para>
3905
3906 <para>
3907 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3908 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3909 </para>
3910
3911 </sect1>
3912
3913
3914 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3915
3916   <sect1 id="pragmas">
3917     <title>Pragmas</title>
3918
3919     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3920
3921     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3922     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3923     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3924     of the generated code.</para>
3925
3926     <para>Pragmas all take the form
3927
3928 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3929
3930     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3931     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3932     type of pragma.  Case is ignored in
3933     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3934     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3935     in the following sections; any pragma encountered with an
3936     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3937     ignored.</para>
3938
3939     <sect2 id="deprecated-pragma">
3940       <title>DEPRECATED pragma</title>
3941       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
3942       </indexterm>
3943
3944       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
3945       function, class, or type, is deprecated.  There are two
3946       forms.
3947
3948       <itemizedlist>
3949         <listitem>
3950           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
3951 <programlisting>
3952    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3953      ...
3954 </programlisting>
3955           <para>When you compile any module that import
3956           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
3957           message.</para>
3958         </listitem>
3959
3960         <listitem>
3961           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
3962           following top-level declaration:</para>
3963 <programlisting>
3964    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3965 </programlisting>
3966           <para>When you compile any module that imports and uses any
3967           of the specifed entities, GHC will print the specified
3968           message.</para>
3969         </listitem>
3970       </itemizedlist>
3971       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
3972       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
3973       deprecations are not reported for
3974       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
3975       (b) uses of a deprecated function in an export list.
3976       The latter reduces spurious complaints within a library
3977       in which one module gathers together and re-exports 
3978       the exports of several others.
3979       </para>
3980       <para>You can suppress the warnings with the flag
3981       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3982     </sect2>
3983
3984     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
3985       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
3986
3987       <para>These pragmas control the inlining of function
3988       definitions.</para>
3989
3990       <sect3 id="inline-pragma">
3991         <title>INLINE pragma</title>
3992         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
3993
3994         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
3995         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
3996         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
3997         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3998         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
3999         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4000         export that unfolding for other modules to use.</para>
4001
4002         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4003         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4004         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4005
4006 <programlisting>
4007 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4008
4009 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4010 {-# INLINE key_function #-}
4011 #endif
4012 </programlisting>
4013
4014         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4015         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4016         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4017
4018         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4019         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4020         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4021         inline it.</para>
4022
4023         <para>Syntactially, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4024         function can be put anywhere its type signature could be
4025         put.</para>
4026
4027         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4028         good idea for the
4029         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4030         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4031         a monad.  For example, in GHC's own
4032         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4033
4034 <programlisting>
4035 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4036 {-# INLINE thenUs #-}
4037 {-# INLINE returnUs #-}
4038 #endif
4039 </programlisting>
4040
4041         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4042         linkend="noinline-pragma">).</para>
4043       </sect3>
4044
4045       <sect3 id="noinline-pragma">
4046         <title>NOINLINE pragma</title>
4047         
4048         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4049         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4050
4051         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4052         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4053         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4054         you're very cautious about code size.</para>
4055
4056         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4057         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is
4058         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4059         inlining, so it should be used if you want your code to be
4060         portable).</para>
4061       </sect3>
4062
4063       <sect3 id="phase-control">
4064         <title>Phase control</title>
4065
4066         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4067         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4068         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4069         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4070         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4071         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4072         sequence of phase numbers for successive runs of the
4073         simpifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4074         phase number, thus:</para>
4075
4076         <itemizedlist>
4077           <listitem>
4078             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4079             and all subsequent phases":
4080 <programlisting>
4081   {-# INLINE [2] f #-}
4082 </programlisting>
4083             </para>
4084           </listitem>
4085
4086           <listitem>
4087             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4088             phases up to, but not including, Phase 3":
4089 <programlisting>
4090   {-# INLINE [~3] g #-}
4091 </programlisting>
4092             </para>
4093           </listitem>
4094
4095           <listitem>
4096             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4097             all phases".</para>
4098           </listitem>
4099         </itemizedlist>
4100
4101         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4102
4103         <itemizedlist>
4104           <listitem>
4105             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4106             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4107             there was no pragma at all":
4108 <programlisting>
4109   {-# NOINLINE [2] f #-}
4110 </programlisting>
4111             </para>
4112           </listitem>
4113
4114           <listitem>
4115             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4116             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4117             there was no pragma":
4118 <programlisting>
4119   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4120 </programlisting>
4121             </para>
4122           </listitem>
4123
4124           <listitem>
4125             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4126             inline this function".</para>
4127           </listitem>
4128         </itemizedlist>
4129
4130         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4131         (<xref LinkEnd="rewrite-rules">).</para>
4132       </sect3>
4133     </sect2>
4134
4135     <sect2 id="line-pragma">
4136       <title>LINE pragma</title>
4137
4138       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4139       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4140       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4141       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4142       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4143       original code; for example</para>
4144
4145 <programlisting>
4146 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4147 </programlisting>
4148
4149       <para>if you'd generated the current file from something called
4150       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4151       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4152       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4153       pragma.</para>
4154     </sect2>
4155
4156     <sect2 id="options-pragma">
4157       <title>OPTIONS pragma</title>
4158       <indexterm><primary>OPTIONS</primary>
4159       </indexterm>
4160       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS</secondary>
4161       </indexterm>
4162
4163       <para>The <literal>OPTIONS</literal> pragma is used to specify
4164       additional options that are given to the compiler when compiling
4165       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"> for
4166       details.</para>
4167     </sect2>
4168
4169     <sect2 id="rules">
4170       <title>RULES pragma</title>
4171
4172       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4173       described in <xref LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
4174     </sect2>
4175
4176     <sect2 id="specialize-pragma">
4177       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4178
4179       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4180       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4181       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4182
4183       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4184       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4185       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4186       overloaded function:</para>
4187
4188 <programlisting>
4189 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4190 </programlisting>
4191
4192       <para>If it is heavily used on lists with
4193       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4194       follows:</para>
4195
4196 <programlisting>
4197 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4198 </programlisting>
4199
4200       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4201       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4202
4203 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating (a) a specialised
4204 version of the function and (b) a rewrite rule (see <xref linkend="rules">) that 
4205 rewrites a call to the un-specialised function into a call to the specialised
4206 one. You can, instead, provide your own specialised function and your own rewrite rule.
4207 For example, suppose that:
4208 <programlisting>
4209   genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
4210   intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
4211 </programlisting>
4212 where <literal>intLookup</literal> is an implementation of <literal>genericLookup</literal>
4213 that works very fast for keys of type <literal>Int</literal>.  Then you can write the rule
4214 <programlisting>
4215   {-# RULES "intLookup" genericLookup = intLookup #-}
4216 </programlisting>
4217 (see <xref linkend="rule-spec">). It is <emphasis>Your
4218       Responsibility</emphasis> to make sure that
4219       <function>intLookup</function> really behaves as a specialised
4220       version of <function>genericLookup</function>!!!</para>
4221
4222       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
4223       specialisation will Win Big:
4224
4225 <programlisting>
4226   toDouble :: Real a => a -> Double
4227   toDouble = fromRational . toRational
4228
4229   {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
4230   i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
4231 </programlisting>
4232
4233       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
4234       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
4235       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
4236       comparison.</para>
4237
4238     </sect2>
4239
4240 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4241 <title>SPECIALIZE instance pragma
4242 </title>
4243
4244 <para>
4245 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4246 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4247 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4248
4249 <programlisting>
4250 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4251    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4252    ... usual stuff ...
4253  }
4254 </programlisting>
4255 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4256 of the instance declaration.
4257 </para>
4258 <para>
4259 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4260 of the pragma.
4261 </para>
4262
4263 </sect2>
4264
4265     <sect2 id="unpack-pragma">
4266       <title>UNPACK pragma</title>
4267
4268       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4269       
4270       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4271       that it should unpack the contents of a constructor field into
4272       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4273       example:</para>
4274
4275 <ProgramListing>
4276 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4277            {-# UNPACK #-} !Float
4278 </ProgramListing>
4279
4280       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4281       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4282       the <Function>T</Function> constructor is scrutinised and the
4283       floats passed to a non-strict function for example, they will
4284       have to be reboxed (this is done automatically by the
4285       compiler).</para>
4286
4287       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4288       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4289       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4290       often as possible.  For example:</para>
4291
4292 <ProgramListing>
4293 f :: T -&#62; Float
4294 f (T f1 f2) = f1 + f2
4295 </ProgramListing>
4296
4297       <para>The compiler will avoid reboxing <Function>f1</Function>
4298       and <Function>f2</Function> by inlining <Function>+</Function>
4299       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4300
4301       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4302       example</para>
4303
4304 <ProgramListing>
4305 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4306 </ProgramListing>
4307
4308       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4309       <Function>T</Function> constructor, by flattening the pair.
4310       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4311
4312 <ProgramListing>
4313 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4314 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4315 </ProgramListing>
4316
4317       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4318       directly in the <Function>T</Function> constructor.  The
4319       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4320
4321       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4322       so it might be an idea to check the generated code with
4323       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4324
4325       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4326       which essentially has the effect of adding
4327       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4328       constructor field.</para>
4329     </sect2>
4330
4331 </sect1>
4332
4333 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4334
4335 <sect1 id="rewrite-rules">
4336 <title>Rewrite rules
4337
4338 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
4339 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4340 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4341
4342 <para>
4343 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4344 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4345 the <option>-O</option> flag (<xref LinkEnd="options-optimise">) is on, 
4346 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4347 (<xref LinkEnd="options-f">) is not specified.
4348 </para>
4349
4350 <para>
4351 Here is an example:
4352
4353 <programlisting>
4354   {-# RULES
4355         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4356   #-}
4357 </programlisting>
4358
4359 </para>
4360
4361 <sect2>
4362 <title>Syntax</title>
4363
4364 <para>
4365 From a syntactic point of view:
4366
4367 <itemizedlist>
4368 <listitem>
4369
4370 <para>
4371  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4372 </para>
4373 </listitem>
4374
4375 <listitem>
4376
4377 <para>
4378  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4379 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4380 </para>
4381 </listitem>
4382
4383 <listitem>
4384 <para>
4385 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref LinkEnd="phase-control">),
4386 immediately after the name of the rule.  Thus:
4387 <programlisting>
4388   {-# RULES
4389         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4390   #-}
4391 </programlisting>
4392 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4393 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4394 Phase 2.
4395 </para>
4396 </listitem>
4397
4398
4399 <listitem>
4400
4401 <para>
4402  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4403 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4404 enclosing definitions.
4405 </para>
4406 </listitem>
4407
4408 <listitem>
4409
4410 <para>
4411  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4412 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4413 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4414 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4415 </para>
4416 </listitem>
4417 <listitem>
4418
4419 <para>
4420  A pattern variable may optionally have a type signature.
4421 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4422 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4423
4424 <programlisting>
4425 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4426               foldr k z (build g) = g k z
4427 </programlisting>
4428
4429 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4430
4431 </para>
4432 </listitem>
4433 <listitem>
4434
4435 <para>
4436 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4437 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4438
4439 <programlisting>
4440 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4441 "wrong2"   forall f.      f True = True
4442 </programlisting>
4443
4444 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4445 in the head.
4446 </para>
4447 </listitem>
4448 <listitem>
4449
4450 <para>
4451  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4452 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4453 </para>
4454 </listitem>
4455 <listitem>
4456
4457 <para>
4458  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4459 </para>
4460 </listitem>
4461
4462 </itemizedlist>
4463
4464 </para>
4465
4466 </sect2>
4467
4468 <sect2>
4469 <title>Semantics</title>
4470
4471 <para>
4472 From a semantic point of view:
4473
4474 <itemizedlist>
4475 <listitem>
4476
4477 <para>
4478 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4479 </para>
4480 </listitem>
4481
4482 <listitem>
4483 <para>
4484  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4485 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4486 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4487 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4488 expression by substituting for the pattern variables.
4489
4490 </para>
4491 </listitem>
4492 <listitem>
4493
4494 <para>
4495  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4496 same type.
4497
4498 </para>
4499 </listitem>
4500 <listitem>
4501
4502 <para>
4503  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4504 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
4505 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4506
4507 </para>
4508 </listitem>
4509 <listitem>
4510
4511 <para>
4512  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4513 terminating.  For example:
4514
4515 <programlisting>
4516   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4517 </programlisting>
4518
4519 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4520
4521 </para>
4522 </listitem>
4523 <listitem>
4524
4525 <para>
4526  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4527
4528 </para>
4529 </listitem>
4530 <listitem>
4531 <para>
4532  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4533 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4534 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4535 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4536 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
4537 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4538 </para>
4539
4540 <para>
4541 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4542 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4543 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
4544 </para>
4545 </listitem>
4546 <listitem>
4547
4548 <para>
4549  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4550 For example, consider:
4551
4552 <programlisting>
4553   let s = map f
4554       t = map g
4555   in
4556   s (t xs)
4557 </programlisting>
4558
4559 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4560 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
4561 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4562 not be substituted, and the rule would not fire.
4563
4564 </para>
4565 </listitem>
4566 <listitem>
4567
4568 <para>
4569  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4570 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4571 for something you can't match against it (given the simple minded
4572 matching).  So if you write the rule
4573
4574 <programlisting>
4575         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4576 </programlisting>
4577
4578 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4579 It will only match something written with explicit use of ".".
4580 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4581
4582 <programlisting>
4583 wibble f g xs
4584 </programlisting>
4585
4586 where <function>wibble</function> is defined:
4587
4588 <programlisting>
4589 wibble f g = map f . map g
4590 </programlisting>
4591
4592 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4593
4594 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4595 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4596 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4597
4598 </para>
4599 </listitem>
4600 <listitem>
4601
4602 <para>
4603  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4604 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4605 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4606 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4607 declarations.
4608 </para>
4609 </listitem>
4610
4611 </itemizedlist>
4612
4613 </para>
4614
4615 </sect2>
4616
4617 <sect2>
4618 <title>List fusion</title>
4619
4620 <para>
4621 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4622 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4623 intermediate list should be eliminated entirely.
4624 </para>
4625
4626 <para>
4627 The following are good producers:
4628
4629 <itemizedlist>
4630 <listitem>
4631
4632 <para>
4633  List comprehensions
4634 </para>
4635 </listitem>
4636 <listitem>
4637
4638 <para>
4639  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4640 </para>
4641 </listitem>
4642 <listitem>
4643
4644 <para>
4645  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4646 </para>
4647 </listitem>
4648 <listitem>
4649
4650 <para>
4651  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4652 </para>
4653 </listitem>
4654 <listitem>
4655
4656 <para>
4657  <function>++</function>
4658 </para>
4659 </listitem>
4660
4661 <listitem>
4662 <para>
4663  <function>map</function>
4664 </para>
4665 </listitem>
4666
4667 <listitem>
4668 <para>
4669  <function>filter</function>
4670 </para>
4671 </listitem>
4672 <listitem>
4673
4674 <para>
4675  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4676 </para>
4677 </listitem>
4678 <listitem>
4679
4680 <para>
4681  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4682 </para>
4683 </listitem>
4684
4685 </itemizedlist>
4686
4687 </para>
4688
4689 <para>
4690 The following are good consumers:
4691
4692 <itemizedlist>
4693 <listitem>
4694
4695 <para>
4696  List comprehensions
4697 </para>
4698 </listitem>
4699 <listitem>
4700
4701 <para>
4702  <function>array</function> (on its second argument)
4703 </para>
4704 </listitem>
4705 <listitem>
4706
4707 <para>
4708  <function>length</function>
4709 </para>
4710 </listitem>
4711 <listitem>
4712
4713 <para>
4714  <function>++</function> (on its first argument)
4715 </para>
4716 </listitem>
4717
4718 <listitem>
4719 <para>
4720  <function>foldr</function>
4721 </para>
4722 </listitem>
4723
4724 <listitem>
4725 <para>
4726  <function>map</function>
4727 </para>
4728 </listitem>
4729 <listitem>
4730
4731 <para>
4732  <function>filter</function>
4733 </para>
4734 </listitem>
4735 <listitem>
4736
4737 <para>
4738  <function>concat</function>
4739 </para>
4740 </listitem>
4741 <listitem>
4742
4743 <para>
4744  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4745 </para>
4746 </listitem>
4747 <listitem>
4748
4749 <para>
4750  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4751 will fuse with one but not the other)
4752 </para>
4753 </listitem>
4754 <listitem>
4755
4756 <para>
4757  <function>partition</function>
4758 </para>
4759 </listitem>
4760 <listitem>
4761
4762 <para>
4763  <function>head</function>
4764 </para>
4765 </listitem>
4766 <listitem>
4767
4768 <para>
4769  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4770 </para>
4771 </listitem>
4772 <listitem>
4773
4774 <para>
4775  <function>sequence&lowbar;</function>
4776 </para>
4777 </listitem>
4778 <listitem>
4779
4780 <para>
4781  <function>msum</function>
4782 </para>
4783 </listitem>
4784 <listitem>
4785
4786 <para>
4787  <function>sortBy</function>
4788 </para>
4789 </listitem>
4790
4791 </itemizedlist>
4792
4793 </para>
4794
4795  <para>
4796 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4797
4798 <programlisting>
4799 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4800 </programlisting>
4801
4802 </para>
4803
4804 <para>
4805 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4806 a lot which are not included, please tell us.
4807 </para>
4808
4809 <para>
4810 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4811 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4812 </para>
4813
4814 </sect2>
4815
4816 <sect2 id="rule-spec">
4817 <title>Specialisation
4818 </title>
4819
4820 <para>
4821 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4822 present in earlier version of GHC:
4823
4824 <programlisting>
4825   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4826 </programlisting>
4827
4828 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4829 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4830 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4831 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4832 </para>
4833
4834 <para>
4835 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4836 same thing:
4837
4838 <programlisting>
4839 {-# RULES
4840   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4841 #-}
4842 </programlisting>
4843
4844 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4845 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4846 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4847
4848 <programlisting>
4849 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4850         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4851 </programlisting>
4852
4853 What is more,
4854 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4855 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4856 have an original definition available to specialise).
4857 </para>
4858
4859 </sect2>
4860
4861 <sect2>
4862 <title>Controlling what's going on</title>
4863
4864 <para>
4865
4866 <itemizedlist>
4867 <listitem>
4868
4869 <para>
4870  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4871 </para>
4872 </listitem>
4873 <listitem>
4874
4875 <para>
4876  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4877 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4878 </para>
4879 </listitem>
4880 <listitem>
4881
4882 <para>
4883  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>GHC/Base.lhs</FileName> looks llike this:
4884
4885 <programlisting>
4886         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4887         {-# INLINE build #-}
4888         build g = g (:) []
4889 </programlisting>
4890
4891 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4892 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4893 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4894 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4895
4896 </para>
4897 </listitem>
4898 <listitem>
4899
4900 <para>
4901  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4902 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4903 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
4904 </para>
4905 </listitem>
4906
4907 </itemizedlist>
4908
4909 </para>
4910
4911 </sect2>
4912
4913 <sect2 id="core-pragma">
4914   <title>CORE pragma</title>
4915
4916   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
4917   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
4918   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
4919
4920 <para>
4921   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
4922   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
4923   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
4924   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
4925   literal as an argument.  The following function definition shows an
4926   example:
4927
4928 <programlisting>
4929 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
4930 </programlisting>
4931
4932   Sematically, this is equivalent to:
4933
4934 <programlisting>
4935 g x = show x
4936 </programlisting>
4937 </para>
4938
4939 <para>
4940   However, when external for is generated (via
4941   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
4942   expressions <function>show</function> and <VarName>x</VarName>.
4943   The core function declaration for <function>f</function> is:
4944 </para>
4945
4946 <programlisting>
4947   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
4948                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
4949     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
4950         (%note "foo"
4951          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
4952            {GHCziShow.ZCDShow
4953             (tpl1::GHCziBase.Int ->
4954                    a ->
4955                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4956 r)
4957             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
4958             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
4959                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4960 r) ->
4961               tpl2})
4962         (%note "foo"
4963          eta);
4964 </programlisting>
4965
4966 <para>
4967   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
4968   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
4969   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
4970   expression <VarName>eta</VarName> (which used to be called
4971   <VarName>x</VarName>).
4972 </para>
4973
4974 </sect2>
4975
4976 </sect1>
4977
4978 <sect1 id="generic-classes">
4979 <title>Generic classes</title>
4980
4981     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4982     GHC 5.02).</para>
4983
4984 <para>
4985 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4986 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4987 An example will give the idea:
4988 </para>
4989
4990 <programlisting>
4991   import Generics
4992
4993   class Bin a where
4994     toBin   :: a -> [Int]
4995     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4996   
4997     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4998     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4999     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5000     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5001   
5002     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5003     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5004     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5005     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5006                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5007 </programlisting>
5008 <para>
5009 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5010 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5011 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5012 </para>
5013 <programlisting>
5014   data Unit    = Unit
5015   data a :+: b = Inl a | Inr b
5016   data a :*: b = a :*: b
5017 </programlisting>
5018 <para>
5019 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5020 <programlisting>
5021   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5022   instance Bin a => Bin [a]
5023 </programlisting>
5024 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5025 where clause and over-ride whichever methods you please.
5026 </para>
5027
5028     <sect2>
5029       <title> Using generics </title>
5030       <para>To use generics you need to</para>
5031       <itemizedlist>
5032         <listitem>
5033           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5034                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5035                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5036                 available.  </para>
5037         </listitem>
5038         <listitem>
5039           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5040           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5041           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5042           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5043           don't need this import if you don't mention these types
5044           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5045           declarations.)</para>
5046         </listitem>
5047       </itemizedlist>
5048     </sect2>
5049
5050 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5051 <para>
5052 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5053 can be written infix (indeed, you can now use
5054 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5055 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5056 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5057 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5058 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5059 anticipate wanting).
5060 </para>
5061 </sect2>
5062
5063 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5064 <para>
5065 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5066 is one that is defined using type patterns as above.
5067 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5068 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5069 generic default method.
5070 </para>
5071
5072 <para>
5073 Restrictions:
5074 <itemizedlist>
5075 <listitem>
5076 <para>
5077 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5078 field labels.
5079 </para>
5080 </listitem>
5081
5082 <listitem>
5083 <para>
5084 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5085 multi-parameter class.
5086 </para>
5087 </listitem>
5088
5089 <listitem>
5090 <para>
5091 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5092 without.  So this is illegal:
5093 <programlisting>
5094   class Foo a where
5095     op :: a -> (a, Bool)
5096     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5097     op x               = (x,    False)
5098 </programlisting>
5099 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5100 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5101 </para>
5102 </listitem>
5103
5104 <listitem>
5105 <para>
5106 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5107 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:
5108 <programlisting>
5109   class Foo a where
5110     op :: a -> Bool
5111     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5112     ...
5113 </programlisting>
5114 </para>
5115 </listitem>
5116
5117 <listitem>
5118 <para>
5119 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5120 <programlisting>
5121        a :+: b
5122        a :*: b
5123        Unit
5124 </programlisting>
5125 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5126 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5127 must use the same type variables.  So this is illegal:
5128 <programlisting>
5129   class Foo a where
5130     op :: a -> Bool
5131     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5132     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5133 </programlisting>
5134 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5135 So this too is illegal:
5136 <programlisting>
5137   class Foo a where
5138     op1 :: a -> Bool
5139     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5140
5141     op2 :: a -> Bool
5142     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5143 </programlisting>
5144 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5145 into a single generic instance declaration.)
5146 </para>
5147 </listitem>
5148
5149 <listitem>
5150 <para>
5151 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5152 </para>
5153 </listitem>
5154
5155 <listitem>
5156 <para>
5157 The type for a generic method can be built only from:
5158   <itemizedlist>
5159   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5160   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5161   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5162   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5163   </itemizedlist>
5164 Here are some example type signatures for generic methods:
5165 <programlisting>
5166     op1 :: a -> Bool
5167     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5168     op3 :: [Int] -> a -> a
5169     op4 :: [a] -> Bool
5170 </programlisting>
5171 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5172 inside a list.  
5173 </para>
5174 <para>
5175 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5176 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5177 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5178 to the ones that are allowed.</para>
5179 </listitem>
5180
5181 <listitem>
5182 <para>
5183 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5184 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5185 do so if
5186   <itemizedlist>
5187   <listitem>
5188   <para>
5189   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5190   </para>
5191   </listitem>
5192   <listitem>
5193   <para>
5194   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5195   </para>
5196   </listitem>
5197   </itemizedlist>
5198 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5199 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5200 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5201 </para>
5202 </listitem>
5203
5204 </itemizedlist>
5205 </para>
5206
5207 <para>
5208 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5209 what the compiler does with generic declarations.
5210 </para>
5211
5212 </sect2>
5213
5214 <sect2> <title> Another example </title>
5215 <para>
5216 Just to finish with, here's another example I rather like:
5217 <programlisting>
5218   class Tag a where
5219     nCons :: a -> Int
5220     nCons {| Unit |}    _ = 1
5221     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5222     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5223   
5224     tag :: a -> Int
5225     tag {| Unit |}    _       = 1
5226     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5227     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5228     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5229 </programlisting>
5230 </para>
5231 </sect2>
5232 </sect1>
5233
5234
5235
5236 <!-- Emacs stuff:
5237      ;;; Local Variables: ***
5238      ;;; mode: sgml ***
5239      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
5240      ;;; End: ***
5241  -->
5242