[project @ 2002-05-15 08:59:58 by chak]
[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.  See
23 <xref linkend="book-hslibs">.
24 </para>
25
26 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
27   <sect1 id="options-language">
28     <title>Language options</title>
29
30     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
31     </indexterm>
32     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
33     </indexterm>
34     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
35     </indexterm>
36
37     <para> These flags control what variation of the language are
38     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
39     98.</para>
40
41     <variablelist>
42
43       <varlistentry>
44         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
45         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
46         <listitem>
47           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
48           Haskell 98 described in <xref
49           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
50           noted. </para>
51         </listitem>
52       </varlistentry>
53
54       <varlistentry>
55         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
56         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
57         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
58         <listitem>
59           <para>This option enables the language extension defined in the
60           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
61           syntax of previous versions of the FFI for backwards
62           compatibility.</para> 
63         </listitem>
64       </varlistentry>
65
66       <varlistentry>
67         <term><option>-fwith</option>:</term>
68         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
69         <listitem>
70           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
71           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
72           compatibility.
73           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
74           flag. </para>
75         </listitem>
76       </varlistentry>
77
78       <varlistentry>
79         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
80         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
81         <listitem>
82           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
83           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
84           flag. </para>
85         </listitem>
86       </varlistentry>
87
88       <varlistentry>
89         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
90         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
92         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
93         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
96         <listitem>
97           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
98           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
99         </listitem>
100       </varlistentry>
101
102       <varlistentry>
103         <term><option>-finline-phase</option></term>
104         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
105         <listitem>
106           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
107           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
108         </listitem>
109       </varlistentry>
110
111       <varlistentry>
112         <term><option>-fgenerics</option></term>
113         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
114         <listitem>
115           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
116           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
117         </listitem>
118       </varlistentry>
119
120         <varlistentry>
121           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
122           <listitem>
123             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
124             option</primary></indexterm> GHC normally imports
125             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
126             rather it didn't, then give it a
127             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
128             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
129             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
130             module namespace is flat, and you must not conflict with
131             any Prelude module.)</para>
132
133             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
134             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
135             Prelude types and values, as specified by the Haskell
136             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
137             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
138             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
139             translation for list comprehensions continues to use
140             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
141
142             <para> With one group of exceptions!  You may want to
143             define your own numeric class hierarchy.  It completely
144             defeats that purpose if the literal "1" means
145             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
146             the Haskell Report specifies.  So the
147             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
148             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
149             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
150
151             <itemizedlist>
152               <listitem>
153                 <para>Integer and fractional literals mean
154                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
155                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
156                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
157                 patterns.</para>
158               </listitem>
159
160               <listitem>
161                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
162                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
163                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
164               </listitem>
165
166               <listitem>
167                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
168                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
169                 but the necessary subtraction uses whatever
170                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
171                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
172               </listitem>
173             </itemizedlist>
174
175              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
176              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
177              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
178              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
179              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
180              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
181              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
182              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
183              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
184              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
185              (at type <literal>Int</literal>, remember).
186              </para>
187
188           </listitem>
189         </varlistentry>
190
191     </variablelist>
192   </sect1>
193
194 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
195 <!--    included from primitives.sgml  -->
196 &primitives;
197
198
199 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
200 <sect1 id="type-extensions">
201 <title>Type system extensions</title>
202
203 <sect2 id="nullary-types">
204 <title>Data types with no constructors</title>
205
206 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
207 a data type with no constructors.  For example:</para>
208 <programlisting>
209   data S      -- S :: *
210   data T a    -- T :: * -> *
211 </programlisting>
212 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
213 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
214 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
215 types.</para>
216
217 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
218 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
219 </sect2>
220
221 <sect2 id="class-method-types">
222 <title>Class method types
223 </title>
224 <para>
225 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
226 class type variable, thus:
227 <programlisting>
228   class Seq s a where
229     fromList :: [a] -> s a
230     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
231 </programlisting>
232 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
233 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
234 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
235 </para>
236 <para>
237 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
238 </para>
239
240 </sect2>
241
242 <sect2 id="multi-param-type-classes">
243 <title>Multi-parameter type classes
244 </title>
245
246 <para>
247 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
248 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
249 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
250 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
251 Jones, Erik Meijer).
252 </para>
253
254 <para>
255 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
256 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
257 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
258 examples to support several generalisations.  (These appear below as
259 design choices not implemented in 3.02.)
260 </para>
261
262 <para>
263 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
264 will migrate towards the same design choices as I outline here.
265 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
266 feedback.
267 </para>
268
269 <sect3>
270 <title>Types</title>
271
272 <para>
273 There are the following restrictions on the form of a qualified
274 type:
275 </para>
276
277 <para>
278
279 <programlisting>
280   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
281 </programlisting>
282
283 </para>
284
285 <para>
286 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
287 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
288 explicit source-language type signature are universally quantified,
289 except for the class type variables in a class declaration.  However,
290 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
291 </para>
292
293 <para>
294
295 <OrderedList>
296 <listitem>
297
298 <para>
299  <emphasis>Each universally quantified type variable
300 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
301
302 The reason for this is that a value with a type that does not obey
303 this restriction could not be used without introducing
304 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
305
306
307 <programlisting>
308   forall a. Eq a => Int
309 </programlisting>
310
311
312 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
313 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
314 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
315 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
316 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
317 get any more information about <literal>tv</literal>.
318
319 </para>
320 </listitem>
321 <listitem>
322
323 <para>
324  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
325 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
326
327 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
328 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
329
330
331 <programlisting>
332   forall a. C a b => burble
333 </programlisting>
334
335
336 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
337 mention <literal>a</literal>:
338
339
340 <programlisting>
341   forall a. Eq b => burble
342 </programlisting>
343
344
345 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
346 excluded types are never useful or necessary (because the offending
347 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
348 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
349 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
350 territory free in case we need it later.
351
352 </para>
353 </listitem>
354
355 </OrderedList>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
361 or inferred.
362 </para>
363
364 <para>
365 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
366 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
367 are perfectly OK
368 </para>
369
370 <para>
371
372 <programlisting>
373   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
374   g :: Eq [a] => ...
375 </programlisting>
376
377 </para>
378
379 <para>
380 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
381 </para>
382
383 </sect3>
384
385 <sect3>
386 <title>Class declarations</title>
387
388 <para>
389
390 <OrderedList>
391 <listitem>
392
393 <para>
394  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
395
396
397 <programlisting>
398   class Collection c a where
399     union :: c a -> c a -> c a
400     ...etc.
401 </programlisting>
402
403
404
405 </para>
406 </listitem>
407 <listitem>
408
409 <para>
410  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
411 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
412 this is OK:
413
414
415 <programlisting>
416   class C a where {
417     op :: D b => a -> b -> b
418   }
419
420   class C a => D a where { ... }
421 </programlisting>
422
423
424 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
425 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
426 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
427
428 </para>
429 </listitem>
430 <listitem>
431
432 <para>
433  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
434 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
435 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
436
437
438 <programlisting>
439   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
440     ...
441
442   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
443     lift :: m a -> (t m) a
444 </programlisting>
445
446
447 </para>
448 </listitem>
449 <listitem>
450
451 <para>
452  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
453 must mention at least one type variable that is not a class type
454 variable</emphasis>.
455
456 Thus:
457
458
459 <programlisting>
460   class Collection c a where
461     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
462 </programlisting>
463
464
465 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
466 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
467 <literal>a</literal>.  On the other hand:
468
469
470 <programlisting>
471   class C a where
472     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
473 </programlisting>
474
475
476 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
477 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
478 example is easily fixed by moving the offending context up to the
479 superclass context:
480
481
482 <programlisting>
483   class Eq a => C a where
484     op ::(a,b) -> (a,b)
485 </programlisting>
486
487
488 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
489 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
490 Rule 1(b) for types above.
491
492 </para>
493 </listitem>
494 <listitem>
495
496 <para>
497  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
498 the class type variables</emphasis>.  For example:
499
500
501 <programlisting>
502   class Coll s a where
503     empty  :: s
504     insert :: s -> a -> s
505 </programlisting>
506
507
508 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
509 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
510 types, and has the same motivation.
511
512 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
513 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
514
515
516 <programlisting>
517   class Coll s a where
518     empty  :: s a
519     insert :: s a -> a -> s a
520 </programlisting>
521
522
523 which makes the connection between the type of a collection of
524 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
525 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
526 class like this:
527
528
529 <programlisting>
530   class CollE s where
531     empty  :: s
532
533   class CollE s => Coll s a where
534     insert :: s -> a -> s
535 </programlisting>
536
537
538 </para>
539 </listitem>
540
541 </OrderedList>
542
543 </para>
544
545 </sect3>
546
547 <sect3 id="instance-decls">
548 <title>Instance declarations</title>
549
550 <para>
551
552 <OrderedList>
553 <listitem>
554
555 <para>
556  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
557 declarations
558
559
560 <programlisting>
561   instance context1 => C type1 where ...
562   instance context2 => C type2 where ...
563 </programlisting>
564
565
566 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
567
568 However, if you give the command line option
569 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
570 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
571 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
572 if another instance declaration also applies, either now or later.
573
574 <itemizedlist>
575 <listitem>
576
577 <para>
578  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
579 </para>
580 </listitem>
581 <listitem>
582
583 <para>
584  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
585 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
586 </para>
587 </listitem>
588 </itemizedlist>
589 Notice that these rules
590 <itemizedlist>
591 <listitem>
592
593 <para>
594  make it clear which instance decl to use
595 (pick the most specific one that matches)
596
597 </para>
598 </listitem>
599 <listitem>
600
601 <para>
602  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
603 Reason: you can pick which instance decl
604 "matches" based on the type.
605 </para>
606 </listitem>
607
608 </itemizedlist>
609 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
610 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
611 <programlisting>
612   instance C (Int,a) where ...
613   instance C (a,Bool) where ...
614 </programlisting>
615 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
616 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
617 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
618 </para>
619 <para>
620 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
621 <programlisting>
622   class C a where { op :: a -> a }
623   instance C [Int] where ...
624   instance C a => C [a] where ...
625   
626   f :: C b => [b] -> [b]
627   f x = op x
628 </programlisting>
629 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
630 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
631 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
632 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
633 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
634 the problem of subsequent instantiations.
635 </para>
636 <para>
637 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
638 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
639 instance declarations in the transitive closure of all the modules
640 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
641 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
642 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
643 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
644 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
645
646 </para>
647 </listitem>
648 <listitem>
649
650 <para>
651  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
652 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
653 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
654 example, these are OK:
655
656
657 <programlisting>
658   instance C Int a where ...
659
660   instance D (Int, Int) where ...
661
662   instance E [[a]] where ...
663 </programlisting>
664
665
666 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
667 For example, this is OK:
668
669
670 <programlisting>
671   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
672 </programlisting>
673
674
675 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
676 context reduction terminates: each reduction step removes one type
677 constructor.  For example, the following would make the type checker
678 loop if it wasn't excluded:
679
680
681 <programlisting>
682   instance C a => C a where ...
683 </programlisting>
684
685
686 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
687 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
688 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
689 something more specific does not:
690
691
692 <programlisting>
693   instance C a where
694     op = ... -- Default
695 </programlisting>
696
697
698 Second, sometimes you might want to use the following to get the
699 effect of a "class synonym":
700
701
702 <programlisting>
703   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
704
705   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
706 </programlisting>
707
708
709 This allows you to write shorter signatures:
710
711
712 <programlisting>
713   f :: C a => ...
714 </programlisting>
715
716
717 instead of
718
719
720 <programlisting>
721   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
722 </programlisting>
723
724
725 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
726 allowing these idioms.  The experimental flag
727 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
728 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
729 instance head to be type variables.
730
731 </para>
732 </listitem>
733 <listitem>
734
735 <para>
736  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
737 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
738 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
739
740
741 <programlisting>
742   type Point = (Int,Int)
743   instance C Point   where ...
744   instance C [Point] where ...
745 </programlisting>
746
747
748 is legal.  However, if you added
749
750
751 <programlisting>
752   instance C (Int,Int) where ...
753 </programlisting>
754
755
756 as well, then the compiler will complain about the overlapping
757 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
758 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
759
760
761 <programlisting>
762   type P a = [[a]]
763   instance Monad P where ...
764 </programlisting>
765
766
767 This design decision is independent of all the others, and easily
768 reversed, but it makes sense to me.
769
770 </para>
771 </listitem>
772 <listitem>
773
774 <para>
775 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
776 be type variables</emphasis>. Thus
777
778
779 <programlisting>
780 instance C a b => Eq (a,b) where ...
781 </programlisting>
782
783
784 is OK, but
785
786
787 <programlisting>
788 instance C Int b => Foo b where ...
789 </programlisting>
790
791
792 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
793 reduction terminates.
794
795 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
796 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
797 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
798 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
799 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
800 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
801 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
802
803 </para>
804 </listitem>
805
806 </OrderedList>
807
808 </para>
809
810 </sect3>
811
812 </sect2>
813
814 <sect2 id="implicit-parameters">
815 <title>Implicit parameters
816 </title>
817
818 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
819 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
820 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
821 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
822 Boston, Jan 2000.
823 </para>
824 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
825 <para>
826 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
827 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
828 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
829 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
830 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
831 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
832 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
833 only support static scoping of variables.
834 </para>
835 <para>
836 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
837 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
838 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
839 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
840 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
841 of type <literal>t'</literal>". For
842 example, the following expresses the type of a sort function,
843 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
844 <programlisting>
845   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
846 </programlisting>
847 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
848 </para>
849 <para>
850 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
851 where <literal>x</literal> is
852 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
853 dynamic binding constraints. For example, the following definition
854 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
855 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
856 <programlisting>
857   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
858
859   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
860   sort    = sortBy ?cmp
861 </programlisting>
862 Dynamic binding constraints behave just like other type class
863 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
864 function is used, its implicit parameters are inherited by the
865 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
866 to pick out the least value in a list:
867 <programlisting>
868   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
869   least xs = fst (sort xs)
870 </programlisting>
871 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
872 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
873 parameters, the default is that parameters must always be explicit
874 propagated. With implicit parameters, the default is to always
875 propagate them.
876 </para>
877 <para>
878 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
879 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
880 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
881 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
882 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
883 class constraints.
884 </para>
885 <para>
886 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
887 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
888 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
889 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
890 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
891 <literal>cmp</literal>.
892 <programlisting>
893   min :: [a] -> a
894   min  = least with ?cmp = (<=)
895 </programlisting>
896 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
897 collection of simple bindings to variables (no function-style
898 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
899 polymorphic or recursive.
900 </para>
901 <para>
902 Note the following additional constraints:
903 <itemizedlist>
904 <listitem>
905 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
906 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
907 <programlisting>
908   class (?x::Int) => C a where ...
909   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
910 </programlisting>
911 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
912 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
913 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
914 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
915 </listitem>
916 </itemizedlist>
917 </para>
918
919 </sect2>
920
921 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
922 <title>Linear implicit parameters
923 </title>
924 <para>
925 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
926 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
927 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
928 </para>
929 <itemizedlist>
930 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
931 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
932 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
933 </itemizedlist>
934
935 <para>
936 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
937 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
938 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
939 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
940 (The '/' in the '%' suggests the split!)
941 </para>
942 <para>
943 For example:
944 <programlisting>
945     import GHC.Exts( Splittable )
946
947     data NameSupply = ...
948     
949     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
950     newName :: NameSupply -> Name
951
952     instance Splittable NameSupply where
953         split = splitNS
954
955
956     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
957     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
958                     where
959                       x'   = newName %ns
960                       env' = extend env x x'
961     ...more equations for f...
962 </programlisting>
963 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
964 <itemizedlist>
965 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
966 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
967 </itemizedlist>
968 </para>
969 <para>
970 So the translation done by the type checker makes
971 the parameter explicit:
972 <programlisting>
973     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
974     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
975                        where
976                          (ns1,ns2) = splitNS ns
977                          x' = newName ns2
978                          env = extend env x x'
979 </programlisting>
980 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
981 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
982 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
983 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
984 <programlisting>
985         class Splittable a where
986           split :: a -> (a,a)
987 </programlisting>
988 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
989 split for name supplies.  But we can simply write
990 <programlisting>
991         g x = (x, %ns, %ns)
992 </programlisting>
993 and GHC will infer
994 <programlisting>
995         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
996 </programlisting>
997 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
998 <literal>GHC.Exts</literal>.
999 </para>
1000 <para>
1001 Other points:
1002 <itemizedlist>
1003 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1004 are entirely distinct implicit parameters: you 
1005   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1006 </listitem>
1007
1008 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1009
1010 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1011   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1012 </itemizedlist>
1013 </para>
1014
1015 <sect3><title>Warnings</title>
1016
1017 <para>
1018 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1019 Consider the example above:
1020 <programlisting>
1021     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1022     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1023                     where
1024                       x'   = newName %ns
1025                       env' = extend env x x'
1026 </programlisting>
1027 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1028 usually a harmless thing to do, we get:
1029 <programlisting>
1030     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1031     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1032                     where
1033                       env' = extend env x (newName %ns)
1034 </programlisting>
1035 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1036 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1037 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1038 the beta rule.
1039 </para>
1040 <para>
1041 Well, this is an experimental change.  With implicit
1042 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1043 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1044 Haskell programs without knowing their typing.
1045 </para>
1046
1047 </sect3>
1048
1049 </sect2>
1050
1051 <sect2 id="functional-dependencies">
1052 <title>Functional dependencies
1053 </title>
1054
1055 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1056 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1057 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1058 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1059 </para>
1060
1061 <para>
1062 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1063 </para>
1064 </sect2>
1065
1066
1067 <sect2 id="universal-quantification">
1068 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1069 </title>
1070
1071 <para>
1072 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1073 allows us to say exactly what this means.  For example:
1074 </para>
1075 <para>
1076 <programlisting>
1077         g :: b -> b
1078 </programlisting>
1079 means this:
1080 <programlisting>
1081         g :: forall b. (b -> b)
1082 </programlisting>
1083 The two are treated identically.
1084 </para>
1085
1086 <para>
1087 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1088 explicit universal quantification in
1089 types. 
1090 For example, all the following types are legal:
1091 <programlisting>
1092     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1093     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1094
1095     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1096     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1097
1098     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1099 </programlisting>
1100 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1101 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1102 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1103 is implicitly added by Haskell.
1104 </para>
1105 <para>
1106 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1107 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1108 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1109 </para>
1110 <para>
1111 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1112 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1113 </para>
1114 <para>
1115 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1116 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1117 that restriction has now been lifted.)
1118 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1119 including an operational type class context, is legal:
1120 <itemizedlist>
1121 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1122 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1123 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1124 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1125 field type signatures.</para> </listitem>
1126 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1127 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1128 </itemizedlist>
1129 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1130 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1131 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1132 <programlisting>
1133     x1 :: [forall a. a->a]
1134     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1135     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1136 </programlisting>
1137 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1138 a type variable any more!
1139 </para>
1140
1141
1142 <sect3 id="univ">
1143 <title>Examples
1144 </title>
1145
1146 <para>
1147 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1148 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1149 </para>
1150
1151 <para>
1152
1153 <programlisting>
1154 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1155
1156 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1157                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1158                         }
1159
1160 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1161 </programlisting>
1162
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166 The constructors have rank-2 types:
1167 </para>
1168
1169 <para>
1170
1171 <programlisting>
1172 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1173 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1174                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1175                   -> MonadT m
1176 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1177 </programlisting>
1178
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1183 explicit context.  For example in the first argument of the
1184 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1185 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1186 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1187 mentioned in the type quantified over.
1188 </para>
1189
1190 <para>
1191 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1192 types too.  So if you write this:
1193
1194 <programlisting>
1195   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1196 </programlisting>
1197
1198 it's just as if you had written this:
1199
1200 <programlisting>
1201   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1202 </programlisting>
1203
1204 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1205 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1206 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1207 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1208 </para>
1209
1210 <para>
1211 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1212 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1213 </para>
1214
1215 <para>
1216
1217 <programlisting>
1218     a1 :: T Int
1219     a1 = T1 (\xy->x) 3
1220     
1221     a2, a3 :: Swizzle
1222     a2 = MkSwizzle sort
1223     a3 = MkSwizzle reverse
1224     
1225     a4 :: MonadT Maybe
1226     a4 = let r x = Just x
1227              b m k = case m of
1228                        Just y -> k y
1229                        Nothing -> Nothing
1230          in
1231          MkMonad r b
1232
1233     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1234     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1235 </programlisting>
1236
1237 </para>
1238
1239 <para>
1240 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1241 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1242 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1247 polymorphic types.  For example:
1248 </para>
1249
1250 <para>
1251
1252 <programlisting>
1253     f :: T a -> a -> (a, Char)
1254     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1255
1256     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1257     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1258
1259     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1260     h m [] = return m []
1261     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1262                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1263                  return m (y:ys)
1264 </programlisting>
1265
1266 </para>
1267
1268 <para>
1269 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1270 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1271 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1272 matching.
1273 </para>
1274 </sect3>
1275
1276 <sect3>
1277 <title>Type inference</title>
1278
1279 <para>
1280 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1281 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1282 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1283 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1284 </para>
1285 <para>
1286 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1287 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1288 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1289 </para>
1290 <para>
1291 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1292 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1293 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1294 <programlisting>
1295      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1296 </programlisting>
1297 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1298 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1299 <programlisting>
1300      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1301 </programlisting>
1302 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1303 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1304 one can give a type signature for the function itself:
1305 <programlisting>
1306      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1307      h f = (f True, f 'c')
1308 </programlisting>
1309 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1310 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1311 <programlisting>
1312     f :: T a -> a -> (a, Char)
1313     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1314 </programlisting>
1315 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1316 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1317 it needs to know.
1318 </para>
1319
1320 </sect3>
1321
1322
1323 <sect3 id="implicit-quant">
1324 <title>Implicit quantification</title>
1325
1326 <para>
1327 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1328 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1329 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1330 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1331 equivalent:
1332 <programlisting>
1333   f :: a -> a
1334   f :: forall a. a -> a
1335
1336   g (x::a) = let
1337                 h :: a -> b -> b
1338                 h x y = y
1339              in ...
1340   g (x::a) = let
1341                 h :: forall b. a -> b -> b
1342                 h x y = y
1343              in ...
1344 </programlisting>
1345 </para>
1346 <para>
1347 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1348 point.  For example:
1349 <programlisting>
1350   f :: (a -> a) -> Int
1351            -- MEANS
1352   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1353            -- NOT
1354   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1355
1356
1357   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1358            -- MEANS the illegal type
1359   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1360            -- NOT
1361   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1362 </programlisting>
1363 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1364 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1365 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1366 for rank-2 types.
1367 </para>
1368 </sect3>
1369 </sect2>
1370
1371 <sect2>
1372 <title>Liberalised type synonyms 
1373 </title>
1374
1375 <para>
1376 Type synonmys are like macros at the type level, and
1377 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1378 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1379 <itemizedlist>
1380 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1381 in a type synonym, thus:
1382 <programlisting>
1383   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1384
1385   f :: Discard a
1386   f x y = (x, show y)
1387
1388   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1389   g f = f Int True
1390 </programlisting>
1391 </para>
1392 </listitem>
1393
1394 <listitem><para>
1395 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1396 <programlisting>
1397   type Pr = (# Int, Int #)
1398
1399   h :: Int -> Pr
1400   h x = (# x, x #)
1401 </programlisting>
1402 </para></listitem>
1403
1404 <listitem><para>
1405 You can apply a type synonym to a forall type:
1406 <programlisting>
1407   type Foo a = a -> a -> Bool
1408  
1409   f :: Foo (forall b. b->b)
1410 </programlisting>
1411 After epxanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1412 <programlisting>
1413   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1414 </programlisting>
1415 </para></listitem>
1416
1417 <listitem><para>
1418 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1419 <programlisting>
1420   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1421   type Id x = x
1422   
1423   foo :: Generic Id []
1424 </programlisting>
1425 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1426 <programlisting>
1427   foo :: forall x. x -> [x]
1428 </programlisting>
1429 </para></listitem>
1430
1431 </itemizedlist>
1432 </para>
1433
1434 <para>
1435 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1436 could be changed.)
1437 </para>
1438 <para>
1439 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1440 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1441 <itemizedlist>
1442 <listitem><para>
1443 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1444 </para></listitem>
1445 <listitem><para>
1446 Unboxed tuple on left of an arrow.
1447 </para></listitem>
1448 <listitem><para>
1449 Partially-applied type synonym.
1450 </para></listitem>
1451 </itemizedlist>
1452 So, for example,
1453 this will be rejected:
1454 <programlisting>
1455   type Pr = (# Int, Int #)
1456
1457   h :: Pr -> Int
1458   h x = ...
1459 </programlisting>
1460 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1461 </para>
1462 </sect2>
1463
1464 <sect2 id="hoist">
1465 <title>For-all hoisting</title>
1466 <para>
1467 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1468 end of an arrow, thus:
1469 <programlisting>
1470   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1471
1472   g :: Int -> Discard Int
1473   g x y z = x+y
1474 </programlisting>
1475 Simply expanding the type synonym would give
1476 <programlisting>
1477   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1478 </programlisting>
1479 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1480 <programlisting>
1481   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1482 </programlisting>
1483 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1484 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1485 performs the transformation:</emphasis>
1486 <programlisting>
1487   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1488 ==>
1489   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1490 </programlisting>
1491 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1492 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1493 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1494 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1495 <programlisting>
1496   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1497 </programlisting>
1498 </para>
1499 </sect2>
1500
1501
1502 <sect2 id="existential-quantification">
1503 <title>Existentially quantified data constructors
1504 </title>
1505
1506 <para>
1507 The idea of using existential quantification in data type declarations
1508 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1509 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1510 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1511 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1512 </para>
1513
1514 <para>
1515
1516 <programlisting>
1517   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1518            | Nil
1519 </programlisting>
1520
1521 </para>
1522
1523 <para>
1524 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1525 </para>
1526
1527 <para>
1528
1529 <programlisting>
1530   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1531   Nil   :: Foo
1532 </programlisting>
1533
1534 </para>
1535
1536 <para>
1537 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1538 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1539 For example, the following expression is fine:
1540 </para>
1541
1542 <para>
1543
1544 <programlisting>
1545   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1546 </programlisting>
1547
1548 </para>
1549
1550 <para>
1551 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1552 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1553 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1554 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1555 </para>
1556
1557 <para>
1558 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1559 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1560 </para>
1561
1562 <para>
1563
1564 <programlisting>
1565   f (MkFoo val fn) = ???
1566 </programlisting>
1567
1568 </para>
1569
1570 <para>
1571 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1572 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1573 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1574 </para>
1575
1576 <para>
1577
1578 <programlisting>
1579   f :: Foo -> Bool
1580   f (MkFoo val fn) = fn val
1581 </programlisting>
1582
1583 </para>
1584
1585 <para>
1586 What this allows us to do is to package heterogenous values
1587 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1588 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1589 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1590 </para>
1591
1592 <sect3 id="existential">
1593 <title>Why existential?
1594 </title>
1595
1596 <para>
1597 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1598 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1599 </para>
1600
1601 <para>
1602
1603 <programlisting>
1604   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1605 </programlisting>
1606
1607 </para>
1608
1609 <para>
1610 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1611 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1612 adding a new existential quantification construct.
1613 </para>
1614
1615 </sect3>
1616
1617 <sect3>
1618 <title>Type classes</title>
1619
1620 <para>
1621 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1622 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1623 </para>
1624
1625 <para>
1626
1627 <programlisting>
1628 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1629          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1630 </programlisting>
1631
1632 </para>
1633
1634 <para>
1635 The two constructors have the types you'd expect:
1636 </para>
1637
1638 <para>
1639
1640 <programlisting>
1641 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1642 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1643 </programlisting>
1644
1645 </para>
1646
1647 <para>
1648 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1649 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1650 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1651 So this program is legal:
1652 </para>
1653
1654 <para>
1655
1656 <programlisting>
1657   f :: Baz -> String
1658   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1659                | otherwise = "No"
1660   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1661 </programlisting>
1662
1663 </para>
1664
1665 <para>
1666 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1667 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1668 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1669 extract it on pattern matching.
1670 </para>
1671
1672 <para>
1673 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1674 universal quantification earlier.
1675 </para>
1676
1677 </sect3>
1678
1679 <sect3>
1680 <title>Restrictions</title>
1681
1682 <para>
1683 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1684 constructors can be use.
1685 </para>
1686
1687 <para>
1688
1689 <itemizedlist>
1690 <listitem>
1691
1692 <para>
1693  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1694 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1695 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1696 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1697
1698
1699 <programlisting>
1700 f1 (MkFoo a f) = a
1701 </programlisting>
1702
1703
1704 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1705 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1706 ask what type <function>f1</function> has:
1707
1708
1709 <programlisting>
1710   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1711 </programlisting>
1712
1713
1714 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1715 this:
1716
1717
1718 <programlisting>
1719   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1720 </programlisting>
1721
1722
1723 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1724
1725
1726 <programlisting>
1727   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1728 </programlisting>
1729
1730
1731 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1732 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1733 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1734
1735
1736 </para>
1737 </listitem>
1738 <listitem>
1739
1740 <para>
1741 You can't pattern-match on an existentially quantified
1742 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1743 bindings. So this is illegal:
1744
1745
1746 <programlisting>
1747   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1748 </programlisting>
1749
1750
1751 You can only pattern-match
1752 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1753 in the patterns of a function definition.
1754
1755 The reason for this restriction is really an implementation one.
1756 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1757 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1758 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1759 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1760 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1761 annoying it is.
1762
1763 </para>
1764 </listitem>
1765 <listitem>
1766
1767 <para>
1768 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1769 declarations.  So this is illegal:
1770
1771
1772 <programlisting>
1773   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1774 </programlisting>
1775
1776
1777 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1778 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1779 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1780 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1781 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1782 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1783 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1784 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1785 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1786 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1787 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1788
1789
1790 </para>
1791 </listitem>
1792 <listitem>
1793
1794 <para>
1795  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1796 data type with existentially quantified data constructors.
1797
1798 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1799
1800 <programlisting>
1801 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1802 </programlisting>
1803
1804 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1805 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1806
1807 <programlisting>
1808 instance Eq T where
1809   (MkT a) == (MkT b) = ???
1810 </programlisting>
1811
1812 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1813 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1814 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1815 declarations.  Define your own instances!
1816 </para>
1817 </listitem>
1818
1819 </itemizedlist>
1820
1821 </para>
1822
1823 </sect3>
1824
1825 </sect2>
1826
1827 <sect2 id="scoped-type-variables">
1828 <title>Scoped Type Variables
1829 </title>
1830
1831 <para>
1832 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1833 variable</emphasis>.  For example
1834 </para>
1835
1836 <para>
1837
1838 <programlisting>
1839 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1840            where
1841               ys :: [a]
1842               ys = reverse xs
1843 </programlisting>
1844
1845 </para>
1846
1847 <para>
1848 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1849 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1850 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1851 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1852 </para>
1853
1854 <para>
1855  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1856 type signatures.  The two can be used independently or together.
1857 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1858 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1859 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1860 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1861 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1862 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1863 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1864 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1865 it becomes possible to do so.
1866 </para>
1867
1868 <para>
1869 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1870 implementations differ from the specification below, those differences
1871 are noted.
1872 </para>
1873
1874 <para>
1875 So much for the basic idea.  Here are the details.
1876 </para>
1877
1878 <sect3>
1879 <title>What a pattern type signature means</title>
1880 <para>
1881 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1882 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1883 of the same name mean the same type.  For example:
1884 <programlisting>
1885   f :: [Int] -> Int -> Int
1886   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1887 </programlisting>
1888 The pattern type signatures on the left hand side of
1889 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1890 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1891 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1892 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1893 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1894 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1895 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1896 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1897 For example, all of these are legal:</para>
1898
1899 <programlisting>
1900   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1901
1902   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1903
1904   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1905
1906   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1907         in k x                  -- environment
1908
1909   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1910   k (x::Int) False = ...
1911
1912   w :: [b] -> [b]
1913   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1914 </programlisting>
1915
1916 </sect3>
1917
1918 <sect3>
1919 <title>Scope and implicit quantification</title>
1920
1921 <para>
1922
1923 <itemizedlist>
1924 <listitem>
1925
1926 <para>
1927 All the type variables mentioned in a pattern,
1928 that are not already in scope,
1929 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
1930 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
1931 For example:
1932 <programlisting>
1933   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
1934              in
1935              g (x,True)
1936 </programlisting>
1937 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
1938 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
1939 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
1940 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
1941 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
1942 </para>
1943 </listitem>
1944
1945 <listitem>
1946 <para>
1947 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
1948 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
1949 <programlisting>
1950   let
1951     f (x::a) = <...rhs of f...>
1952     (p::b, q::b) = (1,2)
1953   in <...body of let...>
1954 </programlisting>
1955 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
1956 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
1957 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
1958 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
1959 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
1960 type signatures in the <literal>let</literal> group.
1961 </para>
1962 </listitem>
1963
1964
1965 <listitem>
1966 <para>
1967 The type variables bound by the pattern may be 
1968 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
1969 type signatures anywhere within their scope.
1970
1971 </para>
1972 </listitem>
1973
1974 <listitem>
1975 <para>
1976  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
1977 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
1978
1979 </para>
1980 </listitem>
1981
1982 <listitem>
1983
1984 <para>
1985  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
1986 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
1987
1988 <programlisting>
1989   f :: a -> a
1990   f x = x::a
1991 </programlisting>
1992
1993 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
1994 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
1995 and that is an incorrect typing.
1996
1997 </para>
1998 </listitem>
1999
2000 <listitem>
2001 <para>
2002 The pattern type signature is a monotype:
2003 </para>
2004
2005 <itemizedlist>
2006 <listitem> <para> 
2007 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2008 </para> </listitem>
2009
2010 <listitem>  <para> 
2011 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2012 not to type schemes.
2013 </para> </listitem>
2014
2015 <listitem>  <para> 
2016 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2017 ordinary type signatures).
2018 </para> </listitem>
2019
2020 </itemizedlist>
2021
2022 </listitem>
2023
2024 <listitem>
2025 <para>
2026
2027 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2028 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2029
2030
2031 <programlisting>
2032   class C a where
2033     op :: [a] -> a
2034
2035     op xs = let ys::[a]
2036                 ys = reverse xs
2037             in
2038             head ys
2039 </programlisting>
2040
2041
2042 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2043 </para>
2044 </listitem>
2045
2046 </itemizedlist>
2047
2048 </para>
2049
2050 </sect3>
2051
2052 <sect3>
2053 <title>Result type signatures</title>
2054
2055 <para>
2056
2057 <itemizedlist>
2058 <listitem>
2059
2060 <para>
2061  The result type of a function can be given a signature,
2062 thus:
2063
2064
2065 <programlisting>
2066   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2067 </programlisting>
2068
2069
2070 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2071 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2072 you want:
2073
2074
2075 <programlisting>
2076   f :: Int -> [a] -> [a]
2077   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2078                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2079 </programlisting>
2080
2081
2082 </para>
2083 </listitem>
2084
2085 </itemizedlist>
2086
2087 </para>
2088
2089 <para>
2090 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2091 </para>
2092
2093 </sect3>
2094
2095 <sect3>
2096 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2097
2098 <para>
2099 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2100 <itemizedlist>
2101
2102 <listitem>
2103 <para>
2104 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2105 ust on a variable:
2106
2107
2108 <programlisting>
2109   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2110 </programlisting>
2111
2112
2113 </para>
2114 </listitem>
2115 <listitem>
2116
2117 <para>
2118  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2119 in lambda abstractions:
2120
2121 <programlisting>
2122   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2123 </programlisting>
2124 </para>
2125 </listitem>
2126 <listitem>
2127
2128 <para>
2129  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2130 in <literal>case</literal> expressions:
2131
2132
2133 <programlisting>
2134   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2135 </programlisting>
2136
2137 </para>
2138 </listitem>
2139
2140 <listitem>
2141 <para>
2142 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2143 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2144 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2145 consider how one would parse this:
2146
2147
2148 <programlisting>
2149   \ x :: a -> b -> x
2150 </programlisting>
2151
2152
2153 </para>
2154 </listitem>
2155
2156 <listitem>
2157
2158 <para>
2159  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2160 For example:
2161
2162
2163 <programlisting>
2164   data T = forall a. MkT [a]
2165
2166   f :: T -> T
2167   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2168                  where
2169                    t3::[a] = [t,t,t]
2170 </programlisting>
2171
2172
2173 </para>
2174 </listitem>
2175
2176
2177 <listitem>
2178
2179 <para>
2180 Pattern type signatures 
2181 can be used in pattern bindings:
2182
2183 <programlisting>
2184   f x = let (y, z::a) = x in ...
2185   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2186   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2187   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2188 </programlisting>
2189
2190 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2191 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2192 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2193 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2194 In contrast, the binding
2195 <programlisting>
2196   f4 :: b->b
2197   f4 = \x -> x
2198 </programlisting>
2199 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2200 in <literal>f4</literal>'s scope.
2201
2202 </para>
2203 </listitem>
2204 </itemizedlist>
2205 </para>
2206
2207 </sect3>
2208 </sect2>
2209
2210 <sect2 id="sec-kinding">
2211 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2212
2213 <para>
2214 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2215 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2216 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2217 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2218 John Hughes had to define the data type:
2219 <Screen>
2220      data Set cxt a = Set [a]
2221                     | Unused (cxt a -> ())
2222 </Screen>
2223 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2224 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2225 </para>
2226 <para>
2227 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2228 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2229 <itemizedlist>
2230 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2231 <Screen>
2232   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2233 </Screen></para></listitem>
2234 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2235 <Screen>
2236   type T (f :: * -> *) = f Int
2237 </Screen></para></listitem>
2238 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2239 <Screen>
2240   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2241 </Screen></para></listitem>
2242 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2243 <Screen>
2244   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2245 </Screen></para></listitem>
2246 </itemizedlist>
2247 </para>
2248
2249 <para>
2250 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2251 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2252 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2253 single lexeme in Haskell.
2254 </para>
2255
2256 <para>
2257 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2258 as well.  Thus:
2259 <Screen>
2260    f :: (Int :: *) -> Int
2261    g :: forall a. a -> (a :: *)
2262 </Screen>
2263 The syntax is
2264 <Screen>
2265    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2266 </Screen>
2267 The parentheses are required.
2268 </para>
2269 </sect2>
2270
2271 </sect1>
2272 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2273   
2274
2275 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2276
2277 <sect1 id="sec-assertions">
2278 <title>Assertions
2279 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2280 </title>
2281
2282 <para>
2283 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2284 could define a function like the following:
2285 </para>
2286
2287 <para>
2288
2289 <programlisting>
2290 assert :: Bool -> a -> a
2291 assert False x = error "assertion failed!"
2292 assert _     x = x
2293 </programlisting>
2294
2295 </para>
2296
2297 <para>
2298 which works, but gives you back a less than useful error message --
2299 an assertion failed, but which and where?
2300 </para>
2301
2302 <para>
2303 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2304 takes a descriptive string to include in the error message and
2305 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2306 the source location where <function>assert</function> was used.
2307 </para>
2308
2309 <para>
2310 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2311 use of <function>assert</function> in the user's source:
2312 </para>
2313
2314 <para>
2315
2316 <programlisting>
2317 kelvinToC :: Double -> Double
2318 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2319 </programlisting>
2320
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2325 assertion was made,
2326 </para>
2327
2328 <para>
2329
2330 <programlisting>
2331 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2332 </programlisting>
2333
2334 </para>
2335
2336 <para>
2337 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2338 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2339 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2340 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2341 </para>
2342
2343 <para>
2344 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2345 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2346 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2347 </para>
2348
2349 <para>
2350 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2351 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2352 for the details.
2353 </para>
2354
2355 </sect1>
2356
2357 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2358
2359 <sect1 id="pattern-guards">
2360 <title>Pattern guards</title>
2361
2362 <para>
2363 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2364 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.)
2365 </para>
2366
2367 <para>
2368 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2369 lookup operation:
2370
2371 <programlisting>
2372 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2373 </programlisting>
2374
2375 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2376 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2377 </para>
2378
2379 <programlisting>
2380 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2381 | otherwise  = var1 + var2
2382 where
2383   m1 = lookup env var1
2384   m2 = lookup env var2
2385   ok1 = maybeToBool m1
2386   ok2 = maybeToBool m2
2387   val1 = expectJust m1
2388   val2 = expectJust m2
2389 </programlisting>
2390
2391 <para>
2392 The auxiliary functions are 
2393 </para>
2394
2395 <programlisting>
2396 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2397 maybeToBool (Just x) = True
2398 maybeToBool Nothing  = False
2399
2400 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2401 expectJust (Just x) = x
2402 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2403 </programlisting>
2404
2405 <para>
2406 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2407 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2408 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2409 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2410 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2411 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2412 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2413 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2414 </para>
2415
2416 <para>
2417 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2418 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2419 to write clunky would be to use case expressions:
2420 </para>
2421
2422 <programlisting>
2423 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2424   Nothing -&gt; fail
2425   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2426     Nothing -&gt; fail
2427     Just val2 -&gt; val1 + val2
2428 where
2429   fail = val1 + val2
2430 </programlisting>
2431
2432 <para>
2433 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2434 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2435 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2436 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2437 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2438 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2439 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2440 tends to become more and more indented. 
2441 </para>
2442
2443 <para>
2444 Here is how I would write clunky:
2445 </para>
2446
2447 <programlisting>
2448 clunky env var1 var1
2449   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2450   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2451   = val1 + val2
2452 ...other equations for clunky...
2453 </programlisting>
2454
2455 <para>
2456 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2457 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2458 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2459 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2460 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2461 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2462 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2463 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2464 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2465 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2466 </para>
2467
2468 <para>
2469 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2470 with among the pattern guards.  For example:
2471 </para>
2472
2473 <programlisting>
2474 f x | [y] <- x
2475     , y > 3
2476     , Just z <- h y
2477     = ...
2478 </programlisting>
2479
2480 <para>
2481 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2482 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2483 </para>
2484 </sect1>
2485
2486 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2487
2488   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
2489     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2490     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2491     </indexterm>
2492     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2493     </indexterm>
2494
2495     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2496     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2497     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2498     extend this to include the zipWith family.</para>
2499
2500     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2501     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2502     example, the following zips together two lists:</para>
2503
2504 <programlisting>
2505    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2506 </programlisting>
2507
2508     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2509     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2510     shortest branch.</para>
2511
2512     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2513     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2514
2515     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2516
2517 <programlisting>
2518    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2519        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2520        ... 
2521    ] 
2522 </programlisting>
2523
2524     <para>This will be translated to: </para>
2525
2526 <programlisting>
2527    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2528                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2529                                          ... 
2530    ] 
2531 </programlisting>
2532
2533     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2534     branches.</para>
2535
2536   </sect1>
2537
2538 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2539
2540   <sect1 id="pragmas">
2541     <title>Pragmas</title>
2542
2543     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2544
2545     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2546     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2547     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2548     of the generated code.</para>
2549
2550     <para>Pragmas all take the form
2551
2552 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2553
2554     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2555     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2556     type of pragma.  Case is ignored in
2557     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2558     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2559     in the following sections; any pragma encountered with an
2560     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2561     ignored.</para>
2562
2563 <sect2 id="inline-pragma">
2564 <title>INLINE pragma
2565
2566 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2567 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2568
2569 <para>
2570 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2571 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2572 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2573 </para>
2574
2575 <para>
2576 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2577 interface files.
2578 </para>
2579
2580 <para>
2581 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2582 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2583 use.
2584 </para>
2585
2586 <para>
2587 The sledgehammer you can bring to bear is the
2588 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2589
2590 <programlisting>
2591 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2592
2593 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2594 {-# INLINE key_function #-}
2595 #endif
2596 </programlisting>
2597
2598 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2599 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2600 </para>
2601
2602 <para>
2603 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2604 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2605 very keen to inline it.
2606 </para>
2607
2608 <para>
2609 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2610 signature could be put.
2611 </para>
2612
2613 <para>
2614 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2615 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2616 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2617
2618 <programlisting>
2619 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2620 {-# INLINE thenUs #-}
2621 {-# INLINE returnUs #-}
2622 #endif
2623 </programlisting>
2624
2625 </para>
2626
2627 </sect2>
2628
2629 <sect2 id="noinline-pragma">
2630 <title>NOINLINE pragma
2631 </title>
2632
2633 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2634 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2635 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2636 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2637
2638 <para>
2639 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2640 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2641 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2642 size.
2643 </para>
2644
2645 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2646 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2647 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2648 used if you want your code to be portable).</para>
2649
2650 </sect2>
2651
2652     <sect2 id="specialize-pragma">
2653       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2654
2655       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2656       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2657       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2658
2659       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2660       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2661       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2662       overloaded function:</para>
2663
2664 <programlisting>
2665 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2666 </programlisting>
2667
2668       <para>If it is heavily used on lists with
2669       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2670       follows:</para>
2671
2672 <programlisting>
2673 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2674 </programlisting>
2675
2676       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2677       to use for the specialised value, as in:</para>
2678
2679 <programlisting>
2680 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2681 </programlisting>
2682
2683       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2684       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2685       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2686       Responsibility</emphasis> to make sure that
2687       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2688       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2689
2690       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2691       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2692       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2693       <xref linkend="rules"> for more information on
2694       <literal>RULES</literal>.</para>
2695
2696       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2697       specialisation will Win Big:
2698
2699 <programlisting>
2700 toDouble :: Real a => a -> Double
2701 toDouble = fromRational . toRational
2702
2703 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2704 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2705 </programlisting>
2706
2707       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2708       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2709       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2710       comparison.</para>
2711
2712       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2713       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2714
2715     </sect2>
2716
2717 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2718 <title>SPECIALIZE instance pragma
2719 </title>
2720
2721 <para>
2722 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2723 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2724 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2725
2726 <programlisting>
2727 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2728    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2729    ... usual stuff ...
2730  }
2731 </programlisting>
2732 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2733 of the instance declaration.
2734 </para>
2735 <para>
2736 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2737 of the pragma.
2738 </para>
2739
2740 </sect2>
2741
2742 <sect2 id="line-pragma">
2743 <title>LINE pragma
2744 </title>
2745
2746 <para>
2747 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2748 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2749 </para>
2750
2751 <para>
2752 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2753 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2754 number and filename of the original code; for example
2755 </para>
2756
2757 <para>
2758
2759 <programlisting>
2760 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2761 </programlisting>
2762
2763 </para>
2764
2765 <para>
2766 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2767 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2768 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2769 pragma.
2770 </para>
2771
2772 </sect2>
2773
2774 <sect2 id="rules">
2775 <title>RULES pragma</title>
2776
2777 <para>
2778 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2779 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2780 </para>
2781
2782 </sect2>
2783
2784 <sect2 id="deprecated-pragma">
2785 <title>DEPRECATED pragma</title>
2786
2787 <para>
2788 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2789 There are two forms.  
2790 </para>
2791 <itemizedlist>
2792 <listitem><para>
2793 You can deprecate an entire module thus:</para>
2794 <programlisting>
2795    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2796      ...
2797 </programlisting>
2798 <para>
2799 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2800 the specified message.</para>
2801 </listitem>
2802
2803 <listitem>
2804 <para>
2805 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2806 </para>
2807 <programlisting>
2808    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2809 </programlisting>
2810 <para>
2811 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2812 GHC will print the specified message.
2813 </para>
2814 </listitem>
2815 </itemizedlist>
2816 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2817
2818 </sect2>
2819
2820 </sect1>
2821
2822 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2823
2824 <sect1 id="rewrite-rules">
2825 <title>Rewrite rules
2826
2827 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2828 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2829 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2830
2831 <para>
2832 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2833 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2834 </para>
2835
2836 <para>
2837 Here is an example:
2838
2839 <programlisting>
2840   {-# RULES
2841         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2842   #-}
2843 </programlisting>
2844
2845 </para>
2846
2847 <sect2>
2848 <title>Syntax</title>
2849
2850 <para>
2851 From a syntactic point of view:
2852
2853 <itemizedlist>
2854 <listitem>
2855
2856 <para>
2857  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2858 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2859 </para>
2860 </listitem>
2861 <listitem>
2862
2863 <para>
2864  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
2865 </para>
2866 </listitem>
2867 <listitem>
2868
2869 <para>
2870  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
2871 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
2872 enclosing definitions.
2873 </para>
2874 </listitem>
2875 <listitem>
2876
2877 <para>
2878  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
2879 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
2880 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
2881 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
2882 </para>
2883 </listitem>
2884 <listitem>
2885
2886 <para>
2887  A pattern variable may optionally have a type signature.
2888 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
2889 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
2890
2891 <programlisting>
2892 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
2893               foldr k z (build g) = g k z
2894 </programlisting>
2895
2896 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
2897
2898 </para>
2899 </listitem>
2900 <listitem>
2901
2902 <para>
2903 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
2904 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
2905
2906 <programlisting>
2907 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
2908 "wrong2"   forall f.      f True = True
2909 </programlisting>
2910
2911 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
2912 in the head.
2913 </para>
2914 </listitem>
2915 <listitem>
2916
2917 <para>
2918  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
2919 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
2920 </para>
2921 </listitem>
2922 <listitem>
2923
2924 <para>
2925  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
2926 </para>
2927 </listitem>
2928
2929 </itemizedlist>
2930
2931 </para>
2932
2933 </sect2>
2934
2935 <sect2>
2936 <title>Semantics</title>
2937
2938 <para>
2939 From a semantic point of view:
2940
2941 <itemizedlist>
2942 <listitem>
2943
2944 <para>
2945 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
2946 </para>
2947 </listitem>
2948
2949 <listitem>
2950 <para>
2951  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
2952 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
2953 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
2954 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
2955 expression by substituting for the pattern variables.
2956
2957 </para>
2958 </listitem>
2959 <listitem>
2960
2961 <para>
2962  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
2963 same type.
2964
2965 </para>
2966 </listitem>
2967 <listitem>
2968
2969 <para>
2970  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
2971 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
2972 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
2973
2974 </para>
2975 </listitem>
2976 <listitem>
2977
2978 <para>
2979  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
2980 terminating.  For example:
2981
2982 <programlisting>
2983   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
2984 </programlisting>
2985
2986 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
2987
2988 </para>
2989 </listitem>
2990 <listitem>
2991
2992 <para>
2993  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
2994
2995 </para>
2996 </listitem>
2997 <listitem>
2998 <para>
2999  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3000 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3001 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3002 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3003 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3004 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3005 </para>
3006
3007 <para>
3008 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3009 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3010 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3011 </para>
3012 </listitem>
3013 <listitem>
3014
3015 <para>
3016  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3017 For example, consider:
3018
3019 <programlisting>
3020   let s = map f
3021       t = map g
3022   in
3023   s (t xs)
3024 </programlisting>
3025
3026 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3027 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3028 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3029 not be substituted, and the rule would not fire.
3030
3031 </para>
3032 </listitem>
3033 <listitem>
3034
3035 <para>
3036  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3037 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3038 for something you can't match against it (given the simple minded
3039 matching).  So if you write the rule
3040
3041 <programlisting>
3042         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3043 </programlisting>
3044
3045 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3046 It will only match something written with explicit use of ".".
3047 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3048
3049 <programlisting>
3050 wibble f g xs
3051 </programlisting>
3052
3053 where <function>wibble</function> is defined:
3054
3055 <programlisting>
3056 wibble f g = map f . map g
3057 </programlisting>
3058
3059 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3060
3061 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3062 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3063 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3064
3065 </para>
3066 </listitem>
3067 <listitem>
3068
3069 <para>
3070  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3071 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3072 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3073 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3074 declarations.
3075 </para>
3076 </listitem>
3077
3078 </itemizedlist>
3079
3080 </para>
3081
3082 </sect2>
3083
3084 <sect2>
3085 <title>List fusion</title>
3086
3087 <para>
3088 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3089 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3090 intermediate list should be eliminated entirely.
3091 </para>
3092
3093 <para>
3094 The following are good producers:
3095
3096 <itemizedlist>
3097 <listitem>
3098
3099 <para>
3100  List comprehensions
3101 </para>
3102 </listitem>
3103 <listitem>
3104
3105 <para>
3106  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3107 </para>
3108 </listitem>
3109 <listitem>
3110
3111 <para>
3112  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3113 </para>
3114 </listitem>
3115 <listitem>
3116
3117 <para>
3118  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3119 </para>
3120 </listitem>
3121 <listitem>
3122
3123 <para>
3124  <function>++</function>
3125 </para>
3126 </listitem>
3127
3128 <listitem>
3129 <para>
3130  <function>map</function>
3131 </para>
3132 </listitem>
3133
3134 <listitem>
3135 <para>
3136  <function>filter</function>
3137 </para>
3138 </listitem>
3139 <listitem>
3140
3141 <para>
3142  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3143 </para>
3144 </listitem>
3145 <listitem>
3146
3147 <para>
3148  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3149 </para>
3150 </listitem>
3151
3152 </itemizedlist>
3153
3154 </para>
3155
3156 <para>
3157 The following are good consumers:
3158
3159 <itemizedlist>
3160 <listitem>
3161
3162 <para>
3163  List comprehensions
3164 </para>
3165 </listitem>
3166 <listitem>
3167
3168 <para>
3169  <function>array</function> (on its second argument)
3170 </para>
3171 </listitem>
3172 <listitem>
3173
3174 <para>
3175  <function>length</function>
3176 </para>
3177 </listitem>
3178 <listitem>
3179
3180 <para>
3181  <function>++</function> (on its first argument)
3182 </para>
3183 </listitem>
3184
3185 <listitem>
3186 <para>
3187  <function>foldr</function>
3188 </para>
3189 </listitem>
3190
3191 <listitem>
3192 <para>
3193  <function>map</function>
3194 </para>
3195 </listitem>
3196 <listitem>
3197
3198 <para>
3199  <function>filter</function>
3200 </para>
3201 </listitem>
3202 <listitem>
3203
3204 <para>
3205  <function>concat</function>
3206 </para>
3207 </listitem>
3208 <listitem>
3209
3210 <para>
3211  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3212 </para>
3213 </listitem>
3214 <listitem>
3215
3216 <para>
3217  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3218 will fuse with one but not the other)
3219 </para>
3220 </listitem>
3221 <listitem>
3222
3223 <para>
3224  <function>partition</function>
3225 </para>
3226 </listitem>
3227 <listitem>
3228
3229 <para>
3230  <function>head</function>
3231 </para>
3232 </listitem>
3233 <listitem>
3234
3235 <para>
3236  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3237 </para>
3238 </listitem>
3239 <listitem>
3240
3241 <para>
3242  <function>sequence&lowbar;</function>
3243 </para>
3244 </listitem>
3245 <listitem>
3246
3247 <para>
3248  <function>msum</function>
3249 </para>
3250 </listitem>
3251 <listitem>
3252
3253 <para>
3254  <function>sortBy</function>
3255 </para>
3256 </listitem>
3257
3258 </itemizedlist>
3259
3260 </para>
3261
3262 <para>
3263 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3264
3265 <programlisting>
3266 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3267 </programlisting>
3268
3269 </para>
3270
3271 <para>
3272 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3273 a lot which are not included, please tell us.
3274 </para>
3275
3276 <para>
3277 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3278 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3279 </para>
3280
3281 </sect2>
3282
3283 <sect2 id="rule-spec">
3284 <title>Specialisation
3285 </title>
3286
3287 <para>
3288 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3289 present in earlier version of GHC:
3290
3291 <programlisting>
3292   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3293 </programlisting>
3294
3295 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3296 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3297 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3298 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3299 </para>
3300
3301 <para>
3302 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3303 same thing:
3304
3305 <programlisting>
3306 {-# RULES
3307   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3308 #-}
3309 </programlisting>
3310
3311 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3312 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3313 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3314
3315 <programlisting>
3316 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3317         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3318 </programlisting>
3319
3320 What is more,
3321 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3322 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3323 have an original definition available to specialise).
3324 </para>
3325
3326 </sect2>
3327
3328 <sect2>
3329 <title>Controlling what's going on</title>
3330
3331 <para>
3332
3333 <itemizedlist>
3334 <listitem>
3335
3336 <para>
3337  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3338 </para>
3339 </listitem>
3340 <listitem>
3341
3342 <para>
3343  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3344 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3345 </para>
3346 </listitem>
3347 <listitem>
3348
3349 <para>
3350  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3351
3352 <programlisting>
3353         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3354         {-# INLINE build #-}
3355         build g = g (:) []
3356 </programlisting>
3357
3358 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3359 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3360 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3361 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3362
3363 </para>
3364 </listitem>
3365 <listitem>
3366
3367 <para>
3368  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3369 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3370 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3371 </para>
3372 </listitem>
3373
3374 </itemizedlist>
3375
3376 </para>
3377
3378 </sect2>
3379
3380 </sect1>
3381
3382 <sect1 id="generic-classes">
3383 <title>Generic classes</title>
3384
3385     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3386     GHC 5.02).</para>
3387
3388 <para>
3389 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3390 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3391 An example will give the idea:
3392 </para>
3393
3394 <programlisting>
3395   import Generics
3396
3397   class Bin a where
3398     toBin   :: a -> [Int]
3399     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3400   
3401     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3402     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3403     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3404     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3405   
3406     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3407     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3408     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3409     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3410                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3411 </programlisting>
3412 <para>
3413 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3414 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3415 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3416 </para>
3417 <programlisting>
3418   data Unit    = Unit
3419   data a :+: b = Inl a | Inr b
3420   data a :*: b = a :*: b
3421 </programlisting>
3422 <para>
3423 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3424 <programlisting>
3425   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3426   instance Bin a => Bin [a]
3427 </programlisting>
3428 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3429 where clause and over-ride whichever methods you please.
3430 </para>
3431
3432     <sect2>
3433       <title> Using generics </title>
3434       <para>To use generics you need to</para>
3435       <itemizedlist>
3436         <listitem>
3437           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3438                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3439                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3440                 available.  </para>
3441         </listitem>
3442         <listitem>
3443           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3444           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3445           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3446           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3447           don't need this import if you don't mention these types
3448           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3449           declarations.)</para>
3450         </listitem>
3451       </itemizedlist>
3452     </sect2>
3453
3454 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3455 <para>
3456 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3457 can be written infix (indeed, you can now use
3458 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3459 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3460 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3461 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3462 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3463 anticipate wanting).
3464 </para>
3465 </sect2>
3466
3467 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3468 <para>
3469 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3470 is one that is defined using type patterns as above.
3471 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3472 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3473 generic default method.
3474 </para>
3475
3476 <para>
3477 Restrictions:
3478 <itemizedlist>
3479 <listitem>
3480 <para>
3481 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3482 field labels.
3483 </para>
3484 </listitem>
3485
3486 <listitem>
3487 <para>
3488 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3489 multi-parameter class.
3490 </para>
3491 </listitem>
3492
3493 <listitem>
3494 <para>
3495 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3496 without.  So this is illegal:
3497 <programlisting>
3498   class Foo a where
3499     op :: a -> (a, Bool)
3500     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3501     op x               = (x,    False)
3502 </programlisting>
3503 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3504 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3505 </para>
3506 </listitem>
3507
3508 <listitem>
3509 <para>
3510 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3511 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:
3512 <programlisting>
3513   class Foo a where
3514     op :: a -> Bool
3515     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3516     ...
3517 </programlisting>
3518 </para>
3519 </listitem>
3520
3521 <listitem>
3522 <para>
3523 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3524 <programlisting>
3525        a :+: b
3526        a :*: b
3527        Unit
3528 </programlisting>
3529 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3530 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3531 must use the same type variables.  So this is illegal:
3532 <programlisting>
3533   class Foo a where
3534     op :: a -> Bool
3535     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3536     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3537 </programlisting>
3538 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3539 So this too is illegal:
3540 <programlisting>
3541   class Foo a where
3542     op1 :: a -> Bool
3543     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3544
3545     op2 :: a -> Bool
3546     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3547 </programlisting>
3548 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3549 into a single generic instance declaration.)
3550 </para>
3551 </listitem>
3552
3553 <listitem>
3554 <para>
3555 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3556 </para>
3557 </listitem>
3558
3559 <listitem>
3560 <para>
3561 The type for a generic method can be built only from:
3562   <itemizedlist>
3563   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3564   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3565   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3566   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3567   </itemizedlist>
3568 Here are some example type signatures for generic methods:
3569 <programlisting>
3570     op1 :: a -> Bool
3571     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3572     op3 :: [Int] -> a -> a
3573     op4 :: [a] -> Bool
3574 </programlisting>
3575 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3576 inside a list.  
3577 </para>
3578 <para>
3579 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3580 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3581 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3582 to the ones that are allowed.</para>
3583 </listitem>
3584
3585 <listitem>
3586 <para>
3587 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3588 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3589 do so if
3590   <itemizedlist>
3591   <listitem>
3592   <para>
3593   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3594   </para>
3595   </listitem>
3596   <listitem>
3597   <para>
3598   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3599   </para>
3600   </listitem>
3601   </itemizedlist>
3602 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3603 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3604 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3605 </para>
3606 </listitem>
3607
3608 </itemizedlist>
3609 </para>
3610
3611 <para>
3612 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3613 what the compiler does with generic declarations.
3614 </para>
3615
3616 </sect2>
3617
3618 <sect2> <title> Another example </title>
3619 <para>
3620 Just to finish with, here's another example I rather like:
3621 <programlisting>
3622   class Tag a where
3623     nCons :: a -> Int
3624     nCons {| Unit |}    _ = 1
3625     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3626     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3627   
3628     tag :: a -> Int
3629     tag {| Unit |}    _       = 1
3630     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3631     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3632     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3633 </programlisting>
3634 </para>
3635 </sect2>
3636 </sect1>
3637
3638 <sect1 id="newtype-deriving">
3639 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3640
3641 <para>
3642 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3643 the new type to inherit some instances from its representation. In
3644 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3645 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3646 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3647 example, if you define
3648
3649 <programlisting> 
3650   newtype Dollars = Dollars Int 
3651 </programlisting> 
3652
3653 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3654 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3655
3656 <programlisting> 
3657   instance Num Dollars where
3658     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3659     ...
3660 </programlisting>
3661 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3662 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3663 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3664 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3665 dictionary, only slower!
3666 </para>
3667
3668 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3669 <para>
3670 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3671 <programlisting> 
3672   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3673 </programlisting> 
3674
3675 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3676 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3677 derives an instance declaration of the form
3678
3679 <programlisting> 
3680   instance Num Int => Num Dollars
3681 </programlisting> 
3682
3683 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3684 </para>
3685 <para>
3686
3687 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3688 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3689 transformers, such that
3690
3691 <programlisting> 
3692   instance Monad m => Monad (State s m) 
3693   instance Monad m => Monad (Failure m)
3694 </programlisting> 
3695 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3696 <programlisting> 
3697   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3698 </programlisting> 
3699
3700 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3701 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3702 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3703
3704 <programlisting> 
3705   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3706                          deriving Monad
3707 </programlisting>
3708 In this case the derived instance declaration is of the form 
3709 <programlisting> 
3710   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3711 </programlisting> 
3712
3713 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3714 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3715 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3716 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3717 declaration.
3718 </para>
3719 <para>
3720
3721 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3722 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3723 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3724 clause. For example, given the class
3725
3726 <programlisting> 
3727   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3728   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3729 </programlisting> 
3730 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3731 <programlisting> 
3732   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3733                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3734 </programlisting>
3735
3736 The derived instance is obtained by completing the application of the
3737 class to the new type:
3738
3739 <programlisting> 
3740   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3741            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3742 </programlisting>
3743 </para>
3744 <para>
3745
3746 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3747 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3748 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3749 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3750 the newtype and its representation.
3751 </para>
3752 </sect2>
3753
3754 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3755 <para>
3756 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3757 declaration (after expansion of any type synonyms)
3758
3759 <programlisting> 
3760   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3761 </programlisting> 
3762
3763 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3764 types,
3765 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3766 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3767 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3768 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3769
3770 <programlisting> 
3771   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3772 </programlisting>
3773 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3774 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3775 </para>
3776 <para>
3777
3778 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3779 <programlisting> 
3780   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3781 </programlisting> 
3782 Here we cannot derive the instance 
3783 <programlisting> 
3784   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3785 </programlisting> 
3786
3787 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3788 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3789 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3790 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3791 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3792 </para>
3793 <para>
3794
3795 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3796 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3797 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3798
3799 <programlisting> 
3800   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3801 </programlisting>
3802
3803 then we would not have been able to derive an instance for the
3804 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3805 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3806 instances is most interesting.
3807 </para>
3808 </sect2>
3809 </sect1>
3810
3811
3812
3813 <!-- Emacs stuff:
3814      ;;; Local Variables: ***
3815      ;;; mode: sgml ***
3816      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3817      ;;; End: ***
3818  -->