063527bc7d9a183b9d7086ce07f3aa8859bab6a0
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 <!-- &primitives; -->
156 <sect1 id="primitives">
157   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
158
159 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
160 While you really can use this stuff to write fast code,
161   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
162   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
163   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
164   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
165   about it.</para>
166
167 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
168 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
169 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
170 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
171
172 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
173 work over those types, is held in the file
174 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
175 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
176 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
177
178 <para> Indeed,
179 the result of such processing is part of the description of the 
180  <ulink
181       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
182          Core language</ulink>.
183 So that document is a good place to look for a type-set version.
184 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
185 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
186 we could include the results here in the User Guide.</para>
187
188 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
189   
190 <sect2 id="glasgow-unboxed">
191 <title>Unboxed types
192 </title>
193
194 <para>
195 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
196 </para>
197
198 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
199 that values of that type are represented by a pointer to a heap
200 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
201 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
202 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
203 allocation are involved.
204 </para>
205
206 <para>
207 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
208 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
209 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
210 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
211 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
212 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
213 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
214 know and love&mdash;usually one instruction.
215 </para>
216
217 <para>
218 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
219 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
220 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
221 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
222 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
223 </para>
224
225 <para>
226 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
227 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
228 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
229 a primitive value might be represented by a pointer to a
230 heap-allocated object.  Examples include
231 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
232 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
233 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
234 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
235 represents a primitive value, then it really does point to that value:
236 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
237 other end of the pointer than the primitive value.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
242 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
243 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
244 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
245 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
246 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
247 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
248 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
249 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
250 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
251 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
252 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
253 </para>
254
255 <para>
256 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
257 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
258 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
259 </para>
260
261 </sect2>
262
263 <sect2 id="unboxed-tuples">
264 <title>Unboxed Tuples
265 </title>
266
267 <para>
268 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
269 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
270 unboxed tuple looks like this:
271 </para>
272
273 <para>
274
275 <programlisting>
276 (# e_1, ..., e_n #)
277 </programlisting>
278
279 </para>
280
281 <para>
282 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
283 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
284 the same.
285 </para>
286
287 <para>
288 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
289 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
290 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
291 components are put directly into registers or on the stack; the
292 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
293 of the primitive operations listed in this section return unboxed
294 tuples.
295 </para>
296
297 <para>
298 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
299 </para>
300
301 <para>
302
303 <itemizedlist>
304 <listitem>
305
306 <para>
307  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
308 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
309 structures or passed to polymorphic functions.
310
311 </para>
312 </listitem>
313 <listitem>
314
315 <para>
316  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
317 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
318 eg. the following are valid:
319
320
321 <programlisting>
322 f x y = (# x+1, y-1 #)
323 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
324 </programlisting>
325
326
327 but the following are invalid:
328
329
330 <programlisting>
331 f x y = g (# x, y #)
332 g (# x, y #) = x + y
333 </programlisting>
334
335
336 </para>
337 </listitem>
338 <listitem>
339
340 <para>
341  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
342
343
344 <programlisting>
345 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
346 f x = x
347 </programlisting>
348
349
350 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
351
352 </para>
353 </listitem>
354
355 </itemizedlist>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
361 </para>
362
363 <para>
364 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
365 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
366 </para>
367
368 </sect2>
369 </sect1>
370
371
372 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
373
374 <sect1 id="syntax-extns">
375 <title>Syntactic extensions</title>
376  
377     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
378
379     <sect2 id="hierarchical-modules">
380       <title>Hierarchical Modules</title>
381
382       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
383       names: a module name is allowed to contain a dot
384       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
385       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
386       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
387       more flexible hierarchy of modules.</para>
388
389       <para>This extension has very little impact on the language
390       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
391       qualified, so you can just think of the fully qualified module
392       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
393       means that the full module name must be given after the
394       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
395       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
396       begin</para>
397
398 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
399
400
401       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
402       keyword to save some typing when using qualified names with
403       hierarchical modules.  For example:</para>
404
405 <programlisting>
406 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
407 </programlisting>
408
409       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
410       searches for files.  For a description, see <xref
411       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
412
413       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
414       hierarchically; see the accompanying library documentation.
415       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
416       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
417       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
418       current status of that project.  For more details, see <ulink
419       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
420       Libraries</ulink>.</para>
421
422     </sect2>
423
424     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
425
426 <sect2 id="pattern-guards">
427 <title>Pattern guards</title>
428
429 <para>
430 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
431 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.)
432 </para>
433
434 <para>
435 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
436 lookup operation:
437
438 <programlisting>
439 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
440 </programlisting>
441
442 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
443 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
444 </para>
445
446 <programlisting>
447 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
448 | otherwise  = var1 + var2
449 where
450   m1 = lookup env var1
451   m2 = lookup env var2
452   ok1 = maybeToBool m1
453   ok2 = maybeToBool m2
454   val1 = expectJust m1
455   val2 = expectJust m2
456 </programlisting>
457
458 <para>
459 The auxiliary functions are 
460 </para>
461
462 <programlisting>
463 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
464 maybeToBool (Just x) = True
465 maybeToBool Nothing  = False
466
467 expectJust :: Maybe a -&gt; a
468 expectJust (Just x) = x
469 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
474 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
475 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
476 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
477 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
478 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
479 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
480 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
481 </para>
482
483 <para>
484 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
485 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
486 to write clunky would be to use case expressions:
487 </para>
488
489 <programlisting>
490 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
491   Nothing -&gt; fail
492   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
493     Nothing -&gt; fail
494     Just val2 -&gt; val1 + val2
495 where
496   fail = val1 + val2
497 </programlisting>
498
499 <para>
500 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
501 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
502 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
503 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
504 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
505 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
506 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
507 tends to become more and more indented. 
508 </para>
509
510 <para>
511 Here is how I would write clunky:
512 </para>
513
514 <programlisting>
515 clunky env var1 var1
516   | Just val1 &lt;- lookup env var1
517   , Just val2 &lt;- lookup env var2
518   = val1 + val2
519 ...other equations for clunky...
520 </programlisting>
521
522 <para>
523 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
524 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
525 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
526 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
527 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
528 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
529 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
530 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
531 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
532 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
533 </para>
534
535 <para>
536 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
537 with among the pattern guards.  For example:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 f x | [y] <- x
542     , y > 3
543     , Just z <- h y
544     = ...
545 </programlisting>
546
547 <para>
548 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
549 qualifier list has just one element, a boolean expression.
550 </para>
551 </sect2>
552
553     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
554
555 <sect2 id="mdo-notation">
556 <title>The recursive do-notation
557 </title>
558
559 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
560 "A recursive do for Haskell",
561 Levent Erkok, John Launchbury",
562 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
563 </para>
564 <para>
565 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
566 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
567 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
568 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
569 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
570 </para>
571 <para>
572 Here is a simple (yet contrived) example:
573 </para>
574 <programlisting>
575 import Control.Monad.Fix
576
577 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
578                return xs
579 </programlisting>
580 <para>
581 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
582 </para>
583
584 <para>
585 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
586 </para>
587 <programlisting>
588 class Monad m => MonadFix m where
589    mfix :: (a -> m a) -> m a
590 </programlisting>
591 <para>
592 The function <literal>mfix</literal>
593 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
594 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
595 For details, see the above mentioned reference.
596 </para>
597 <para>
598 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
599 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
600 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
601 </para>
602 <para>
603 There are three important points in using the recursive-do notation:
604 <itemizedlist>
605 <listitem><para>
606 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
607 than <literal>do</literal>).
608 </para></listitem>
609
610 <listitem><para>
611 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
612 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
613 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
614 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
615 </para></listitem>
616
617 <listitem><para>
618 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
619 </para></listitem>
620 </itemizedlist>
621 </para>
622
623 <para>
624 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
625 contains up to date information on recursive monadic bindings.
626 </para>
627
628 <para>
629 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
630 of the existing documents) used the name
631 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
632 This name is not supported by GHC.
633 </para>
634
635 </sect2>
636
637
638 <sect2> <title> Infix type constructors </title>
639
640 <para>GHC supports infix type constructors, much as it supports infix data constructors.  For example:
641 <programlisting>
642   infixl 5 :+:
643
644   data a :+: b = Inl a | Inr b
645
646   f :: a `Either` b -> a :+: b
647   f (Left x) = Inl x
648 </programlisting>
649 </para>
650 <para>The lexical 
651 syntax of an infix type constructor is just like that of an infix data constructor: either
652 it's an operator beginning with ":", or it is an ordinary (alphabetic) type constructor enclosed in
653 back-quotes.</para>
654
655 <para>
656 When you give a fixity declaration, the fixity applies to both the data constructor and the
657 type constructor with the specified name.  You cannot give different fixities to the type constructor T
658 and the data constructor T.
659 </para>
660
661
662 </sect2>
663
664    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
665
666   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
667     <title>Parallel List Comprehensions</title>
668     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
669     </indexterm>
670     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
671     </indexterm>
672
673     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
674     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
675     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
676     extend this to include the zipWith family.</para>
677
678     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
679     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
680     example, the following zips together two lists:</para>
681
682 <programlisting>
683    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
684 </programlisting>
685
686     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
687     zip, in that the resulting list will have the same length as the
688     shortest branch.</para>
689
690     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
691     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
692
693     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
694
695 <programlisting>
696    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
697        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
698        ... 
699    ] 
700 </programlisting>
701
702     <para>This will be translated to: </para>
703
704 <programlisting>
705    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
706                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
707                                          ... 
708    ] 
709 </programlisting>
710
711     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
712     branches.</para>
713
714   </sect2>
715
716 <sect2 id="rebindable-syntax">
717 <title>Rebindable syntax</title>
718
719
720       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
721       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
722       with a home-grown version, for example.</para>
723
724             <para>You may want to define your own numeric class
725             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
726             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
727             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
728             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
729             the following pieces of built-in syntax to refer to
730             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
731             versions:</para>
732
733             <itemizedlist>
734               <listitem>
735                 <para>Integer and fractional literals mean
736                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
737                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
738                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
739                 patterns. </para>
740                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
741                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
742               </listitem>
743
744               <listitem>
745                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
746                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
747                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
748               </listitem>
749
750               <listitem>
751                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
752                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
753                 but the necessary subtraction uses whatever
754                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
755                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
756               </listitem>
757
758               <listitem>
759           <para>"Do" notation is translated using whatever
760               functions <literal>(>>=)</literal>,
761               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
762               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
763               versions).  List comprehensions, and parallel array
764               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
765             </itemizedlist>
766
767              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
768              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
769              must have the appropriate types, namely:
770              <screen>
771                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
772                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
773                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
774                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
775                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
776                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
777                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
778                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
779              </screen>
780              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
781              is up to you.)
782              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
783              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
784              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
785
786 </sect2>
787 </sect1>
788
789
790 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
791 <sect1 id="type-extensions">
792 <title>Type system extensions</title>
793
794 <sect2 id="nullary-types">
795 <title>Data types with no constructors</title>
796
797 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
798 a data type with no constructors.  For example:</para>
799
800 <programlisting>
801   data S      -- S :: *
802   data T a    -- T :: * -> *
803 </programlisting>
804
805 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
806 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
807 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
808 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
809
810 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
811 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
812 </sect2>
813
814 <sect2 id="infix-tycons">
815 <title>Infix type constructors</title>
816
817 <para>
818 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
819 like expressions.  More specifically:
820 <itemizedlist>
821 <listitem><para>
822   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
823   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
824   </para></listitem>
825 <listitem><para>
826   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
827   </para></listitem>
828 <listitem><para>
829   Back-quotes work
830   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
831   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
832   </para></listitem>
833 <listitem><para>
834   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
835   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
836   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
837 <screen>
838   infixl 7 T, :*:
839 </screen>
840   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
841   and similarly for <literal>:*:</literal>.
842   <literal>Int `a` Bool</literal>.
843   </para></listitem>
844 <listitem><para>
845   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
846   </para></listitem>
847 <listitem><para>
848   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
849 <screen>
850   data a :*: b = Foo a b
851   type a :+: b = Either a b
852 </screen>
853   </para></listitem>
854 <listitem><para>
855   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
856   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
857   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
858   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
859   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
860   lists.  So for now we just exclude them.
861   </para></listitem>
862
863 </itemizedlist>
864 </para>
865 </sect2>
866
867 <sect2 id="sec-kinding">
868 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
869
870 <para>
871 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
872 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
873 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
874 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
875 John Hughes had to define the data type:
876 <Screen>
877      data Set cxt a = Set [a]
878                     | Unused (cxt a -> ())
879 </Screen>
880 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
881 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
882 </para>
883 <para>
884 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
885 a type variable is explicitly bound.  Namely:
886 <itemizedlist>
887 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
888 <Screen>
889   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
890 </Screen></para></listitem>
891 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
892 <Screen>
893   type T (f :: * -> *) = f Int
894 </Screen></para></listitem>
895 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
896 <Screen>
897   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
898 </Screen></para></listitem>
899 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
900 <Screen>
901   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
902 </Screen></para></listitem>
903 </itemizedlist>
904 </para>
905
906 <para>
907 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
908 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
909 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
910 single lexeme in Haskell.
911 </para>
912
913 <para>
914 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
915 as well.  Thus:
916 <Screen>
917    f :: (Int :: *) -> Int
918    g :: forall a. a -> (a :: *)
919 </Screen>
920 The syntax is
921 <Screen>
922    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
923 </Screen>
924 The parentheses are required.
925 </para>
926 </sect2>
927
928
929 <sect2 id="class-method-types">
930 <title>Class method types
931 </title>
932 <para>
933 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
934 class type variable, thus:
935 <programlisting>
936   class Seq s a where
937     fromList :: [a] -> s a
938     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
939 </programlisting>
940 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
941 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
942 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
943 </para>
944 <para>
945 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
946 </para>
947
948 </sect2>
949
950 <sect2 id="multi-param-type-classes">
951 <title>Multi-parameter type classes
952 </title>
953
954 <para>
955 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
956 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
957 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
958 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
959 Jones, Erik Meijer).
960 </para>
961
962 <para>
963 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
964 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
965 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
966 examples to support several generalisations.  (These appear below as
967 design choices not implemented in 3.02.)
968 </para>
969
970 <para>
971 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
972 will migrate towards the same design choices as I outline here.
973 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
974 feedback.
975 </para>
976
977 <sect3>
978 <title>Types</title>
979
980 <para>
981 There are the following restrictions on the form of a qualified
982 type:
983 </para>
984
985 <para>
986
987 <programlisting>
988   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
989 </programlisting>
990
991 </para>
992
993 <para>
994 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
995 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
996 explicit source-language type signature are universally quantified,
997 except for the class type variables in a class declaration.  However,
998 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
999 </para>
1000
1001 <para>
1002
1003 <OrderedList>
1004 <listitem>
1005
1006 <para>
1007  <emphasis>Each universally quantified type variable
1008 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
1009
1010 The reason for this is that a value with a type that does not obey
1011 this restriction could not be used without introducing
1012 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
1013
1014
1015 <programlisting>
1016   forall a. Eq a => Int
1017 </programlisting>
1018
1019
1020 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1021 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1022 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1023 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1024 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1025 get any more information about <literal>tv</literal>.
1026
1027 </para>
1028 </listitem>
1029 <listitem>
1030
1031 <para>
1032  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1033 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1034
1035 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1036 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1037
1038
1039 <programlisting>
1040   forall a. C a b => burble
1041 </programlisting>
1042
1043
1044 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1045 mention <literal>a</literal>:
1046
1047
1048 <programlisting>
1049   forall a. Eq b => burble
1050 </programlisting>
1051
1052
1053 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1054 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1055 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1056 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1057 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1058 territory free in case we need it later.
1059
1060 </para>
1061 </listitem>
1062
1063 </OrderedList>
1064
1065 </para>
1066
1067 <para>
1068 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
1069 or inferred.
1070 </para>
1071
1072 <para>
1073 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1074 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
1075 are perfectly OK
1076 </para>
1077
1078 <para>
1079
1080 <programlisting>
1081   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
1082   g :: Eq [a] => ...
1083 </programlisting>
1084
1085 </para>
1086
1087 <para>
1088 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
1089 </para>
1090
1091 </sect3>
1092
1093 <sect3>
1094 <title>Class declarations</title>
1095
1096 <para>
1097
1098 <OrderedList>
1099 <listitem>
1100
1101 <para>
1102  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1103
1104
1105 <programlisting>
1106   class Collection c a where
1107     union :: c a -> c a -> c a
1108     ...etc.
1109 </programlisting>
1110
1111
1112
1113 </para>
1114 </listitem>
1115 <listitem>
1116
1117 <para>
1118  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1119 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1120 this is OK:
1121
1122
1123 <programlisting>
1124   class C a where {
1125     op :: D b => a -> b -> b
1126   }
1127
1128   class C a => D a where { ... }
1129 </programlisting>
1130
1131
1132 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1133 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1134 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1135
1136 </para>
1137 </listitem>
1138 <listitem>
1139
1140 <para>
1141  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1142 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1143 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1144
1145
1146 <programlisting>
1147   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1148     ...
1149
1150   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1151     lift :: m a -> (t m) a
1152 </programlisting>
1153
1154
1155 </para>
1156 </listitem>
1157 <listitem>
1158
1159 <para>
1160  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
1161 must mention at least one type variable that is not a class type
1162 variable</emphasis>.
1163
1164 Thus:
1165
1166
1167 <programlisting>
1168   class Collection c a where
1169     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
1174 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
1175 <literal>a</literal>.  On the other hand:
1176
1177
1178 <programlisting>
1179   class C a where
1180     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
1181 </programlisting>
1182
1183
1184 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
1185 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
1186 example is easily fixed by moving the offending context up to the
1187 superclass context:
1188
1189
1190 <programlisting>
1191   class Eq a => C a where
1192     op ::(a,b) -> (a,b)
1193 </programlisting>
1194
1195
1196 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
1197 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
1198 Rule 1(b) for types above.
1199
1200 </para>
1201 </listitem>
1202 <listitem>
1203
1204 <para>
1205  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
1206 the class type variables</emphasis>.  For example:
1207
1208
1209 <programlisting>
1210   class Coll s a where
1211     empty  :: s
1212     insert :: s -> a -> s
1213 </programlisting>
1214
1215
1216 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1217 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1218 types, and has the same motivation.
1219
1220 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1221 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1222
1223
1224 <programlisting>
1225   class Coll s a where
1226     empty  :: s a
1227     insert :: s a -> a -> s a
1228 </programlisting>
1229
1230
1231 which makes the connection between the type of a collection of
1232 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1233 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1234 class like this:
1235
1236
1237 <programlisting>
1238   class CollE s where
1239     empty  :: s
1240
1241   class CollE s => Coll s a where
1242     insert :: s -> a -> s
1243 </programlisting>
1244
1245
1246 </para>
1247 </listitem>
1248
1249 </OrderedList>
1250
1251 </para>
1252
1253 </sect3>
1254
1255 <sect3 id="instance-decls">
1256 <title>Instance declarations</title>
1257
1258 <para>
1259
1260 <OrderedList>
1261 <listitem>
1262
1263 <para>
1264  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1265 declarations
1266
1267
1268 <programlisting>
1269   instance context1 => C type1 where ...
1270   instance context2 => C type2 where ...
1271 </programlisting>
1272
1273
1274 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1275
1276 However, if you give the command line option
1277 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1278 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1279 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1280 if another instance declaration also applies, either now or later.
1281
1282 <itemizedlist>
1283 <listitem>
1284
1285 <para>
1286  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1287 </para>
1288 </listitem>
1289 <listitem>
1290
1291 <para>
1292  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1293 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1294 </para>
1295 </listitem>
1296 </itemizedlist>
1297 Notice that these rules
1298 <itemizedlist>
1299 <listitem>
1300
1301 <para>
1302  make it clear which instance decl to use
1303 (pick the most specific one that matches)
1304
1305 </para>
1306 </listitem>
1307 <listitem>
1308
1309 <para>
1310  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1311 Reason: you can pick which instance decl
1312 "matches" based on the type.
1313 </para>
1314 </listitem>
1315
1316 </itemizedlist>
1317 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1318 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1319 <programlisting>
1320   instance C (Int,a) where ...
1321   instance C (a,Bool) where ...
1322 </programlisting>
1323 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1324 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1325 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1326 </para>
1327 <para>
1328 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1329 <programlisting>
1330   class C a where { op :: a -> a }
1331   instance C [Int] where ...
1332   instance C a => C [a] where ...
1333   
1334   f :: C b => [b] -> [b]
1335   f x = op x
1336 </programlisting>
1337 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1338 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1339 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1340 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1341 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1342 the problem of subsequent instantiations.
1343 </para>
1344 <para>
1345 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1346 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1347 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1348 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1349 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1350 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1351 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1352 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1353
1354 </para>
1355 </listitem>
1356 <listitem>
1357
1358 <para>
1359  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1360 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1361 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1362 example, these are OK:
1363
1364
1365 <programlisting>
1366   instance C Int a where ...
1367
1368   instance D (Int, Int) where ...
1369
1370   instance E [[a]] where ...
1371 </programlisting>
1372
1373
1374 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1375 For example, this is OK:
1376
1377
1378 <programlisting>
1379   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1380 </programlisting>
1381
1382
1383 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1384 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1385 constructor.  For example, the following would make the type checker
1386 loop if it wasn't excluded:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   instance C a => C a where ...
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1395 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1396 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1397 something more specific does not:
1398
1399
1400 <programlisting>
1401   instance C a where
1402     op = ... -- Default
1403 </programlisting>
1404
1405
1406 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1407 effect of a "class synonym":
1408
1409
1410 <programlisting>
1411   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1412
1413   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1414 </programlisting>
1415
1416
1417 This allows you to write shorter signatures:
1418
1419
1420 <programlisting>
1421   f :: C a => ...
1422 </programlisting>
1423
1424
1425 instead of
1426
1427
1428 <programlisting>
1429   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1430 </programlisting>
1431
1432
1433 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1434 allowing these idioms.  The experimental flag
1435 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1436 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1437 instance head to be type variables.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1445 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1446 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1447
1448
1449 <programlisting>
1450   type Point = (Int,Int)
1451   instance C Point   where ...
1452   instance C [Point] where ...
1453 </programlisting>
1454
1455
1456 is legal.  However, if you added
1457
1458
1459 <programlisting>
1460   instance C (Int,Int) where ...
1461 </programlisting>
1462
1463
1464 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1465 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1466 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1467
1468
1469 <programlisting>
1470   type P a = [[a]]
1471   instance Monad P where ...
1472 </programlisting>
1473
1474
1475 This design decision is independent of all the others, and easily
1476 reversed, but it makes sense to me.
1477
1478 </para>
1479 </listitem>
1480 <listitem>
1481
1482 <para>
1483 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1484 be type variables</emphasis>. Thus
1485
1486
1487 <programlisting>
1488 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1489 </programlisting>
1490
1491
1492 is OK, but
1493
1494
1495 <programlisting>
1496 instance C Int b => Foo b where ...
1497 </programlisting>
1498
1499
1500 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1501 reduction terminates.
1502
1503 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1504 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1505 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1506 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1507 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1508 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1509 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1510
1511 </para>
1512 </listitem>
1513
1514 </OrderedList>
1515
1516 </para>
1517
1518 </sect3>
1519
1520 </sect2>
1521
1522 <sect2 id="implicit-parameters">
1523 <title>Implicit parameters
1524 </title>
1525
1526 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1527 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1528 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1529 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1530 Boston, Jan 2000.
1531 </para>
1532 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1533 <para>
1534 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1535 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1536 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1537 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1538 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1539 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1540 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1541 only support static scoping of variables.
1542 </para>
1543 <para>
1544 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1545 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1546 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1547 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1548 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1549 of type <literal>t'</literal>". For
1550 example, the following expresses the type of a sort function,
1551 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1552 <programlisting>
1553   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1554 </programlisting>
1555 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1556 </para>
1557 <para>
1558 An implicit parameter occurs in an exprssion using the special form <literal>?x</literal>, 
1559 where <literal>x</literal> is
1560 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1561 Use of this construct also introduces a new
1562 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1563 For example, the following definition
1564 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1565 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1566 <programlisting>
1567   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1568
1569   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1570   sort    = sortBy ?cmp
1571 </programlisting>
1572 </para>
1573
1574 <sect3>
1575 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1576 <para>
1577 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1578 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1579 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1580 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1581 to pick out the least value in a list:
1582 <programlisting>
1583   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1584   least xs = fst (sort xs)
1585 </programlisting>
1586 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1587 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1588 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1589 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1590 propagate them.
1591 </para>
1592 <para>
1593 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1594 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1595 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1596 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1597 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1598 class constraints.
1599 </para>
1600
1601 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1602 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1603 <programlisting>
1604   class (?x::Int) => C a where ...
1605   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1606 </programlisting>
1607 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1608 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1609 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1610 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1611 </sect3>
1612
1613 <sect3>
1614 <title>Implicit-parameter bindings</title>
1615
1616 <para>
1617 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
1618 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
1619 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1620 <literal>cmp</literal>.
1621 <programlisting>
1622   min :: [a] -> a
1623   min  = let ?cmp = (<=) in least
1624 </programlisting>
1625 </para>
1626 <para>
1627 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
1628 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
1629 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
1630 or a <literal>where</literal> clause.
1631 Note the following points:
1632 <itemizedlist>
1633 <listitem><para>
1634 An implicit-parameter binding group must be a
1635 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1636 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1637 neither polymorphic or recursive.  
1638 </para></listitem>
1639 <listitem><para>
1640 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1641 single <literal>let</literal>
1642 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1643 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
1644 </para></listitem>
1645
1646 <listitem><para>
1647 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1648 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
1649 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1650 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
1651 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
1652 the meaning of the program.
1653 For example, consider:
1654 <programlisting>
1655   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
1656 </programlisting>
1657 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
1658 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
1659 <programlisting>
1660   f :: (?x::Int) => Int -> Int
1661 </programlisting>
1662 </para></listitem>
1663 </itemizedlist>
1664 </para>
1665
1666 </sect3>
1667 </sect2>
1668
1669 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1670 <title>Linear implicit parameters
1671 </title>
1672 <para>
1673 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1674 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1675 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1676 </para>
1677 <itemizedlist>
1678 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1679 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1680 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1681 </itemizedlist>
1682
1683 <para>
1684 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1685 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1686 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1687 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1688 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1689 </para>
1690 <para>
1691 For example:
1692 <programlisting>
1693     import GHC.Exts( Splittable )
1694
1695     data NameSupply = ...
1696     
1697     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1698     newName :: NameSupply -> Name
1699
1700     instance Splittable NameSupply where
1701         split = splitNS
1702
1703
1704     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1705     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1706                     where
1707                       x'   = newName %ns
1708                       env' = extend env x x'
1709     ...more equations for f...
1710 </programlisting>
1711 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1712 <itemizedlist>
1713 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1714 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1715 </itemizedlist>
1716 </para>
1717 <para>
1718 So the translation done by the type checker makes
1719 the parameter explicit:
1720 <programlisting>
1721     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1722     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1723                        where
1724                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1725                          x' = newName ns2
1726                          env = extend env x x'
1727 </programlisting>
1728 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1729 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1730 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1731 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1732 <programlisting>
1733         class Splittable a where
1734           split :: a -> (a,a)
1735 </programlisting>
1736 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1737 split for name supplies.  But we can simply write
1738 <programlisting>
1739         g x = (x, %ns, %ns)
1740 </programlisting>
1741 and GHC will infer
1742 <programlisting>
1743         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1744 </programlisting>
1745 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1746 <literal>GHC.Exts</literal>.
1747 </para>
1748 <para>
1749 Other points:
1750 <itemizedlist>
1751 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1752 are entirely distinct implicit parameters: you 
1753   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1754 </listitem>
1755
1756 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1757
1758 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1759   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1760 </itemizedlist>
1761 </para>
1762
1763 <sect3><title>Warnings</title>
1764
1765 <para>
1766 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1767 Consider the example above:
1768 <programlisting>
1769     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1770     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1771                     where
1772                       x'   = newName %ns
1773                       env' = extend env x x'
1774 </programlisting>
1775 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1776 usually a harmless thing to do, we get:
1777 <programlisting>
1778     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1779     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1780                     where
1781                       env' = extend env x (newName %ns)
1782 </programlisting>
1783 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1784 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1785 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1786 the beta rule.
1787 </para>
1788 <para>
1789 Well, this is an experimental change.  With implicit
1790 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1791 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1792 Haskell programs without knowing their typing.
1793 </para>
1794
1795 </sect3>
1796
1797 <sect3><title>Recursive functions</title>
1798 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1799 Consider
1800 <programlisting>
1801         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1802         foo 0 = []
1803         foo n = %x : foo (n-1)
1804 </programlisting>
1805 where T is some type in class Splittable.</para>
1806 <para>
1807 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1808 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1809 </para><para>
1810 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1811 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1812 translated term, where the implicit param is made explicit:
1813 <programlisting>
1814         foo x 0 = []
1815         foo x n = let (x1,x2) = split x
1816                   in x1 : foo x2 (n-1)
1817 </programlisting>
1818 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1819 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1820 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1821 work.  So the translation becomes
1822 <programlisting>
1823         foo x = let
1824                   foom 0 = []
1825                   foom n = x : foom (n-1)
1826                 in
1827                 foom
1828 </programlisting>
1829 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1830 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1831 Yikes!
1832 </para><para>
1833 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1834 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1835 </para>
1836 </sect3>
1837
1838 </sect2>
1839
1840 <sect2 id="functional-dependencies">
1841 <title>Functional dependencies
1842 </title>
1843
1844 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1845 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1846 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1847 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1848 .
1849 </para>
1850
1851 <para>
1852 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1853 </para>
1854 </sect2>
1855
1856
1857 <sect2 id="universal-quantification">
1858 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1859 </title>
1860
1861 <para>
1862 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1863 allows us to say exactly what this means.  For example:
1864 </para>
1865 <para>
1866 <programlisting>
1867         g :: b -> b
1868 </programlisting>
1869 means this:
1870 <programlisting>
1871         g :: forall b. (b -> b)
1872 </programlisting>
1873 The two are treated identically.
1874 </para>
1875
1876 <para>
1877 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1878 explicit universal quantification in
1879 types. 
1880 For example, all the following types are legal:
1881 <programlisting>
1882     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1883     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1884
1885     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1886     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1887
1888     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1889 </programlisting>
1890 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1891 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1892 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1893 is implicitly added by Haskell.
1894 </para>
1895 <para>
1896 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1897 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1898 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1899 </para>
1900 <para>
1901 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1902 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1903 </para>
1904 <para>
1905 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1906 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1907 that restriction has now been lifted.)
1908 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1909 including an operational type class context, is legal:
1910 <itemizedlist>
1911 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1912 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1913 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1914 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1915 field type signatures.</para> </listitem>
1916 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1917 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1918 </itemizedlist>
1919 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1920 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1921 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1922 <programlisting>
1923     x1 :: [forall a. a->a]
1924     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1925     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1926 </programlisting>
1927 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1928 a type variable any more!
1929 </para>
1930
1931
1932 <sect3 id="univ">
1933 <title>Examples
1934 </title>
1935
1936 <para>
1937 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1938 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1939 </para>
1940
1941 <para>
1942
1943 <programlisting>
1944 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1945
1946 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1947                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1948                         }
1949
1950 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1951 </programlisting>
1952
1953 </para>
1954
1955 <para>
1956 The constructors have rank-2 types:
1957 </para>
1958
1959 <para>
1960
1961 <programlisting>
1962 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1963 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1964                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1965                   -> MonadT m
1966 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1967 </programlisting>
1968
1969 </para>
1970
1971 <para>
1972 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1973 explicit context.  For example in the first argument of the
1974 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1975 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1976 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1977 mentioned in the type quantified over.
1978 </para>
1979
1980 <para>
1981 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1982 types too.  So if you write this:
1983
1984 <programlisting>
1985   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1986 </programlisting>
1987
1988 it's just as if you had written this:
1989
1990 <programlisting>
1991   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1992 </programlisting>
1993
1994 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1995 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1996 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1997 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1998 </para>
1999
2000 <para>
2001 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2002 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2003 </para>
2004
2005 <para>
2006
2007 <programlisting>
2008     a1 :: T Int
2009     a1 = T1 (\xy->x) 3
2010     
2011     a2, a3 :: Swizzle
2012     a2 = MkSwizzle sort
2013     a3 = MkSwizzle reverse
2014     
2015     a4 :: MonadT Maybe
2016     a4 = let r x = Just x
2017              b m k = case m of
2018                        Just y -> k y
2019                        Nothing -> Nothing
2020          in
2021          MkMonad r b
2022
2023     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2024     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2025 </programlisting>
2026
2027 </para>
2028
2029 <para>
2030 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2031 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2032 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2033 </para>
2034
2035 <para>
2036 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2037 polymorphic types.  For example:
2038 </para>
2039
2040 <para>
2041
2042 <programlisting>
2043     f :: T a -> a -> (a, Char)
2044     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2045
2046     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2047     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2048
2049     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2050     h m [] = return m []
2051     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2052                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2053                  return m (y:ys)
2054 </programlisting>
2055
2056 </para>
2057
2058 <para>
2059 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2060 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2061 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2062 matching.
2063 </para>
2064 </sect3>
2065
2066 <sect3>
2067 <title>Type inference</title>
2068
2069 <para>
2070 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2071 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2072 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2073 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2074 </para>
2075 <para>
2076 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2077 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2078 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2079 </para>
2080 <para>
2081 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2082 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2083 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2084 <programlisting>
2085      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2086 </programlisting>
2087 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2088 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2089 <programlisting>
2090      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2091 </programlisting>
2092 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2093 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2094 one can give a type signature for the function itself:
2095 <programlisting>
2096      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2097      h f = (f True, f 'c')
2098 </programlisting>
2099 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2100 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2101 <programlisting>
2102     f :: T a -> a -> (a, Char)
2103     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2104 </programlisting>
2105 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2106 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2107 it needs to know.
2108 </para>
2109
2110 </sect3>
2111
2112
2113 <sect3 id="implicit-quant">
2114 <title>Implicit quantification</title>
2115
2116 <para>
2117 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2118 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2119 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2120 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2121 equivalent:
2122 <programlisting>
2123   f :: a -> a
2124   f :: forall a. a -> a
2125
2126   g (x::a) = let
2127                 h :: a -> b -> b
2128                 h x y = y
2129              in ...
2130   g (x::a) = let
2131                 h :: forall b. a -> b -> b
2132                 h x y = y
2133              in ...
2134 </programlisting>
2135 </para>
2136 <para>
2137 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2138 point.  For example:
2139 <programlisting>
2140   f :: (a -> a) -> Int
2141            -- MEANS
2142   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2143            -- NOT
2144   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2145
2146
2147   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2148            -- MEANS the illegal type
2149   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2150            -- NOT
2151   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2152 </programlisting>
2153 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2154 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2155 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2156 for rank-2 types.
2157 </para>
2158 </sect3>
2159 </sect2>
2160
2161 <sect2 id="type-synonyms">
2162 <title>Liberalised type synonyms 
2163 </title>
2164
2165 <para>
2166 Type synonmys are like macros at the type level, and
2167 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2168 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
2169 <itemizedlist>
2170 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2171 in a type synonym, thus:
2172 <programlisting>
2173   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2174
2175   f :: Discard a
2176   f x y = (x, show y)
2177
2178   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
2179   g f = f Int True
2180 </programlisting>
2181 </para>
2182 </listitem>
2183
2184 <listitem><para>
2185 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
2186 <programlisting>
2187   type Pr = (# Int, Int #)
2188
2189   h :: Int -> Pr
2190   h x = (# x, x #)
2191 </programlisting>
2192 </para></listitem>
2193
2194 <listitem><para>
2195 You can apply a type synonym to a forall type:
2196 <programlisting>
2197   type Foo a = a -> a -> Bool
2198  
2199   f :: Foo (forall b. b->b)
2200 </programlisting>
2201 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2202 <programlisting>
2203   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2204 </programlisting>
2205 </para></listitem>
2206
2207 <listitem><para>
2208 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2209 <programlisting>
2210   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2211   type Id x = x
2212   
2213   foo :: Generic Id []
2214 </programlisting>
2215 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2216 <programlisting>
2217   foo :: forall x. x -> [x]
2218 </programlisting>
2219 </para></listitem>
2220
2221 </itemizedlist>
2222 </para>
2223
2224 <para>
2225 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2226 could be changed.)
2227 </para>
2228 <para>
2229 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2230 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2231 <itemizedlist>
2232 <listitem><para>
2233 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2234 </para></listitem>
2235 <listitem><para>
2236 Unboxed tuple on left of an arrow.
2237 </para></listitem>
2238 <listitem><para>
2239 Partially-applied type synonym.
2240 </para></listitem>
2241 </itemizedlist>
2242 So, for example,
2243 this will be rejected:
2244 <programlisting>
2245   type Pr = (# Int, Int #)
2246
2247   h :: Pr -> Int
2248   h x = ...
2249 </programlisting>
2250 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2251 </para>
2252 </sect2>
2253
2254 <sect2 id="hoist">
2255 <title>For-all hoisting</title>
2256 <para>
2257 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2258 end of an arrow, thus:
2259 <programlisting>
2260   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2261
2262   g :: Int -> Discard Int
2263   g x y z = x+y
2264 </programlisting>
2265 Simply expanding the type synonym would give
2266 <programlisting>
2267   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2268 </programlisting>
2269 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2270 <programlisting>
2271   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2272 </programlisting>
2273 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2274 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2275 performs the transformation:</emphasis>
2276 <programlisting>
2277   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2278 ==>
2279   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2280 </programlisting>
2281 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2282 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2283 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2284 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2285 <programlisting>
2286   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2287 </programlisting>
2288 </para>
2289 <para>
2290 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2291 example:
2292 <programlisting>
2293   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2294   g :: Foo (Foo Int)
2295 </programlisting>
2296 means
2297 <programlisting>
2298   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2299 </programlisting>
2300 </para>
2301 </sect2>
2302
2303
2304 <sect2 id="existential-quantification">
2305 <title>Existentially quantified data constructors
2306 </title>
2307
2308 <para>
2309 The idea of using existential quantification in data type declarations
2310 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2311 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2312 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2313 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2314 </para>
2315
2316 <para>
2317
2318 <programlisting>
2319   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2320            | Nil
2321 </programlisting>
2322
2323 </para>
2324
2325 <para>
2326 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2327 </para>
2328
2329 <para>
2330
2331 <programlisting>
2332   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2333   Nil   :: Foo
2334 </programlisting>
2335
2336 </para>
2337
2338 <para>
2339 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2340 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2341 For example, the following expression is fine:
2342 </para>
2343
2344 <para>
2345
2346 <programlisting>
2347   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2348 </programlisting>
2349
2350 </para>
2351
2352 <para>
2353 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2354 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2355 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2356 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2357 </para>
2358
2359 <para>
2360 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2361 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2362 </para>
2363
2364 <para>
2365
2366 <programlisting>
2367   f (MkFoo val fn) = ???
2368 </programlisting>
2369
2370 </para>
2371
2372 <para>
2373 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2374 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2375 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2376 </para>
2377
2378 <para>
2379
2380 <programlisting>
2381   f :: Foo -> Bool
2382   f (MkFoo val fn) = fn val
2383 </programlisting>
2384
2385 </para>
2386
2387 <para>
2388 What this allows us to do is to package heterogenous values
2389 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2390 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2391 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2392 </para>
2393
2394 <sect3 id="existential">
2395 <title>Why existential?
2396 </title>
2397
2398 <para>
2399 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2400 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2401 </para>
2402
2403 <para>
2404
2405 <programlisting>
2406   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2407 </programlisting>
2408
2409 </para>
2410
2411 <para>
2412 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2413 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2414 adding a new existential quantification construct.
2415 </para>
2416
2417 </sect3>
2418
2419 <sect3>
2420 <title>Type classes</title>
2421
2422 <para>
2423 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2424 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2425 </para>
2426
2427 <para>
2428
2429 <programlisting>
2430 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2431          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2432 </programlisting>
2433
2434 </para>
2435
2436 <para>
2437 The two constructors have the types you'd expect:
2438 </para>
2439
2440 <para>
2441
2442 <programlisting>
2443 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2444 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2445 </programlisting>
2446
2447 </para>
2448
2449 <para>
2450 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2451 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2452 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2453 So this program is legal:
2454 </para>
2455
2456 <para>
2457
2458 <programlisting>
2459   f :: Baz -> String
2460   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2461                | otherwise = "No"
2462   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2463 </programlisting>
2464
2465 </para>
2466
2467 <para>
2468 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2469 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2470 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2471 extract it on pattern matching.
2472 </para>
2473
2474 <para>
2475 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2476 universal quantification earlier.
2477 </para>
2478
2479 </sect3>
2480
2481 <sect3>
2482 <title>Restrictions</title>
2483
2484 <para>
2485 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2486 constructors can be use.
2487 </para>
2488
2489 <para>
2490
2491 <itemizedlist>
2492 <listitem>
2493
2494 <para>
2495  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2496 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2497 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2498 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2499
2500
2501 <programlisting>
2502 f1 (MkFoo a f) = a
2503 </programlisting>
2504
2505
2506 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2507 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2508 ask what type <function>f1</function> has:
2509
2510
2511 <programlisting>
2512   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2513 </programlisting>
2514
2515
2516 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2517 this:
2518
2519
2520 <programlisting>
2521   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2522 </programlisting>
2523
2524
2525 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2526
2527
2528 <programlisting>
2529   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2530 </programlisting>
2531
2532
2533 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2534 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2535 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2536
2537
2538 </para>
2539 </listitem>
2540 <listitem>
2541
2542 <para>
2543 You can't pattern-match on an existentially quantified
2544 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2545 bindings. So this is illegal:
2546
2547
2548 <programlisting>
2549   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2550 </programlisting>
2551
2552 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2553
2554 <programlisting>
2555   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2556 </programlisting>
2557
2558 In general, you can only pattern-match
2559 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2560 in the patterns of a function definition.
2561
2562 The reason for this restriction is really an implementation one.
2563 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2564 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2565 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2566 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2567 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2568 annoying it is.
2569
2570 </para>
2571 </listitem>
2572 <listitem>
2573
2574 <para>
2575 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2576 declarations.  So this is illegal:
2577
2578
2579 <programlisting>
2580   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2581 </programlisting>
2582
2583
2584 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2585 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2586 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2587 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2588 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2589 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2590 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2591 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2592 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2593 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2594 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2595
2596
2597 </para>
2598 </listitem>
2599 <listitem>
2600
2601 <para>
2602  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2603 data type with existentially quantified data constructors.
2604
2605 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2606
2607 <programlisting>
2608 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2609 </programlisting>
2610
2611 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2612 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2613
2614 <programlisting>
2615 instance Eq T where
2616   (MkT a) == (MkT b) = ???
2617 </programlisting>
2618
2619 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2620 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2621 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2622 declarations.  Define your own instances!
2623 </para>
2624 </listitem>
2625
2626 </itemizedlist>
2627
2628 </para>
2629
2630 </sect3>
2631
2632 </sect2>
2633
2634 <sect2 id="scoped-type-variables">
2635 <title>Scoped type variables
2636 </title>
2637
2638 <para>
2639 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2640 variable</emphasis>.  For example
2641 </para>
2642
2643 <para>
2644
2645 <programlisting>
2646 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2647            where
2648               ys :: [a]
2649               ys = reverse xs
2650 </programlisting>
2651
2652 </para>
2653
2654 <para>
2655 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2656 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2657 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2658 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2659 </para>
2660
2661 <para>
2662  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2663 type signatures.  The two can be used independently or together.
2664 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2665 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2666 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2667 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2668 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2669 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2670 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2671 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2672 it becomes possible to do so.
2673 </para>
2674
2675 <para>
2676 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2677 implementations differ from the specification below, those differences
2678 are noted.
2679 </para>
2680
2681 <para>
2682 So much for the basic idea.  Here are the details.
2683 </para>
2684
2685 <sect3>
2686 <title>What a pattern type signature means</title>
2687 <para>
2688 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2689 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2690 of the same name mean the same type.  For example:
2691 <programlisting>
2692   f :: [Int] -> Int -> Int
2693   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2694 </programlisting>
2695 The pattern type signatures on the left hand side of
2696 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2697 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2698 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2699 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2700 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2701 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2702 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2703 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2704 For example, all of these are legal:</para>
2705
2706 <programlisting>
2707   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2708
2709   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2710
2711   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2712
2713   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2714         in k x                  -- environment
2715
2716   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2717   k (x::Int) False = ...
2718
2719   w :: [b] -> [b]
2720   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2721 </programlisting>
2722
2723 </sect3>
2724
2725 <sect3>
2726 <title>Scope and implicit quantification</title>
2727
2728 <para>
2729
2730 <itemizedlist>
2731 <listitem>
2732
2733 <para>
2734 All the type variables mentioned in a pattern,
2735 that are not already in scope,
2736 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2737 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2738 For example:
2739 <programlisting>
2740   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2741              in
2742              g (x,True)
2743 </programlisting>
2744 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2745 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2746 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2747 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2748 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2749 </para>
2750 </listitem>
2751
2752 <listitem>
2753 <para>
2754 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2755 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2756 <programlisting>
2757   let
2758     f (x::a) = <...rhs of f...>
2759     (p::b, q::b) = (1,2)
2760   in <...body of let...>
2761 </programlisting>
2762 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2763 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2764 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2765 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2766 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2767 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2768 </para>
2769 </listitem>
2770
2771
2772 <listitem>
2773 <para>
2774 The type variables bound by the pattern may be 
2775 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2776 type signatures anywhere within their scope.
2777
2778 </para>
2779 </listitem>
2780
2781 <listitem>
2782 <para>
2783  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2784 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2785
2786 </para>
2787 </listitem>
2788
2789 <listitem>
2790
2791 <para>
2792  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2793 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2794
2795 <programlisting>
2796   f :: a -> a
2797   f x = x::a
2798 </programlisting>
2799
2800 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2801 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2802 and that is an incorrect typing.
2803
2804 </para>
2805 </listitem>
2806
2807 <listitem>
2808 <para>
2809 The pattern type signature is a monotype:
2810 </para>
2811
2812 <itemizedlist>
2813 <listitem> <para> 
2814 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2815 </para> </listitem>
2816
2817 <listitem>  <para> 
2818 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2819 not to type schemes.
2820 </para> </listitem>
2821
2822 <listitem>  <para> 
2823 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2824 ordinary type signatures).
2825 </para> </listitem>
2826
2827 </itemizedlist>
2828
2829 </listitem>
2830
2831 <listitem>
2832 <para>
2833
2834 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2835 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2836
2837
2838 <programlisting>
2839   class C a where
2840     op :: [a] -> a
2841
2842     op xs = let ys::[a]
2843                 ys = reverse xs
2844             in
2845             head ys
2846 </programlisting>
2847
2848
2849 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2850 </para>
2851 </listitem>
2852
2853 </itemizedlist>
2854
2855 </para>
2856
2857 </sect3>
2858
2859 <sect3>
2860 <title>Result type signatures</title>
2861
2862 <para>
2863
2864 <itemizedlist>
2865 <listitem>
2866
2867 <para>
2868  The result type of a function can be given a signature,
2869 thus:
2870
2871
2872 <programlisting>
2873   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2874 </programlisting>
2875
2876
2877 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2878 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2879 you want:
2880
2881
2882 <programlisting>
2883   f :: Int -> [a] -> [a]
2884   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2885                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2886 </programlisting>
2887
2888
2889 </para>
2890 </listitem>
2891
2892 </itemizedlist>
2893
2894 </para>
2895
2896 <para>
2897 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2898 </para>
2899
2900 </sect3>
2901
2902 <sect3>
2903 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2904
2905 <para>
2906 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2907 <itemizedlist>
2908
2909 <listitem>
2910 <para>
2911 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2912 ust on a variable:
2913
2914
2915 <programlisting>
2916   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2917 </programlisting>
2918
2919
2920 </para>
2921 </listitem>
2922 <listitem>
2923
2924 <para>
2925  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2926 in lambda abstractions:
2927
2928 <programlisting>
2929   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2930 </programlisting>
2931 </para>
2932 </listitem>
2933 <listitem>
2934
2935 <para>
2936  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2937 in <literal>case</literal> expressions:
2938
2939
2940 <programlisting>
2941   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2942 </programlisting>
2943
2944 </para>
2945 </listitem>
2946
2947 <listitem>
2948 <para>
2949 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2950 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2951 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2952 consider how one would parse this:
2953
2954
2955 <programlisting>
2956   \ x :: a -> b -> x
2957 </programlisting>
2958
2959
2960 </para>
2961 </listitem>
2962
2963 <listitem>
2964
2965 <para>
2966  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2967 For example:
2968
2969
2970 <programlisting>
2971   data T = forall a. MkT [a]
2972
2973   f :: T -> T
2974   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2975                  where
2976                    t3::[a] = [t,t,t]
2977 </programlisting>
2978
2979
2980 </para>
2981 </listitem>
2982
2983
2984 <listitem>
2985
2986 <para>
2987 Pattern type signatures 
2988 can be used in pattern bindings:
2989
2990 <programlisting>
2991   f x = let (y, z::a) = x in ...
2992   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2993   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2994   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2995 </programlisting>
2996
2997 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2998 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2999 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3000 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3001 In contrast, the binding
3002 <programlisting>
3003   f4 :: b->b
3004   f4 = \x -> x
3005 </programlisting>
3006 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3007 in <literal>f4</literal>'s scope.
3008
3009 </para>
3010 </listitem>
3011 </itemizedlist>
3012 </para>
3013
3014 </sect3>
3015 </sect2>
3016
3017 <sect2 id="newtype-deriving">
3018 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3019
3020 <para>
3021 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3022 the new type to inherit some instances from its representation. In
3023 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3024 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3025 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3026 example, if you define
3027
3028 <programlisting> 
3029   newtype Dollars = Dollars Int 
3030 </programlisting> 
3031
3032 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3033 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3034
3035 <programlisting> 
3036   instance Num Dollars where
3037     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3038     ...
3039 </programlisting>
3040 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3041 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3042 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3043 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3044 dictionary, only slower!
3045 </para>
3046
3047
3048 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3049 <para>
3050 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3051 <programlisting> 
3052   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3053 </programlisting> 
3054
3055 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3056 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3057 derives an instance declaration of the form
3058
3059 <programlisting> 
3060   instance Num Int => Num Dollars
3061 </programlisting> 
3062
3063 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3064 </para>
3065 <para>
3066
3067 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3068 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3069 transformers, such that
3070
3071 <programlisting> 
3072   instance Monad m => Monad (State s m) 
3073   instance Monad m => Monad (Failure m)
3074 </programlisting> 
3075 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3076 <programlisting> 
3077   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3078 </programlisting> 
3079
3080 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3081 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3082 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3083
3084 <programlisting> 
3085   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3086                          deriving Monad
3087 </programlisting>
3088 In this case the derived instance declaration is of the form 
3089 <programlisting> 
3090   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3091 </programlisting> 
3092
3093 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3094 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3095 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3096 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3097 declaration.
3098 </para>
3099 <para>
3100
3101 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3102 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3103 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3104 clause. For example, given the class
3105
3106 <programlisting> 
3107   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3108   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3109 </programlisting> 
3110 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3111 <programlisting> 
3112   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3113                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3114 </programlisting>
3115
3116 The derived instance is obtained by completing the application of the
3117 class to the new type:
3118
3119 <programlisting> 
3120   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3121            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3122 </programlisting>
3123 </para>
3124 <para>
3125
3126 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3127 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3128 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3129 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3130 the newtype and its representation.
3131 </para>
3132 </sect3>
3133
3134 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3135 <para>
3136 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3137 declaration (after expansion of any type synonyms)
3138
3139 <programlisting> 
3140   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3141 </programlisting> 
3142
3143 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3144 types,
3145 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3146 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3147 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3148 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3149
3150 <programlisting> 
3151   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3152 </programlisting>
3153 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3154 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3155 </para>
3156 <para>
3157
3158 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3159 <programlisting> 
3160   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3161 </programlisting> 
3162 Here we cannot derive the instance 
3163 <programlisting> 
3164   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3165 </programlisting> 
3166
3167 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3168 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3169 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3170 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3171 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3172 </para>
3173 <para>
3174
3175 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3176 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3177 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3178
3179 <programlisting> 
3180   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3181 </programlisting>
3182
3183 then we would not have been able to derive an instance for the
3184 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3185 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3186 instances is most interesting.
3187 </para>
3188 </sect3>
3189
3190 </sect2>
3191
3192
3193 </sect1>
3194 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3195   
3196 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3197
3198 <sect1 id="template-haskell">
3199 <title>Template Haskell</title>
3200
3201 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
3202 the main technical innovations are discussed in "<ulink
3203 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3204 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
3205 Proc Haskell Workshop 2002.
3206 </para>
3207
3208 <para>
3209 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3210 Tim Sheard is going to expand it.)
3211 </para>
3212
3213 <sect2>  <title> Syntax </title>
3214 <para>
3215     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
3216                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
3217
3218         <itemizedlist>
3219               <listitem><para>
3220                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3221                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3222                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3223                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3224                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3225                   </para>
3226               <para> A splice can occur in place of 
3227                   <itemizedlist>
3228                     <listitem><para> an expression;</para></listitem>
3229                     <listitem><para> a list of top-level declarations;</para></listitem>
3230                     <listitem><para> a pattern;</para></listitem>
3231                     <listitem><para> a type;</para></listitem>
3232                     </itemizedlist>
3233                 </para></listitem>
3234
3235
3236               <listitem><para>
3237                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3238                   <itemizedlist>
3239                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression;</para></listitem>
3240                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;</para></listitem>
3241                     <listitem><para> <literal>[p| ... |]</literal>, where the "..." is a pattern;</para></listitem>
3242                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type;</para></listitem>
3243                   </itemizedlist></para></listitem>
3244
3245               <listitem><para>
3246                   Reification is written thus:
3247                   <itemizedlist>
3248                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3249                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3250                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3251                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3252                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3253                     
3254                   </itemizedlist></para>
3255                 </listitem>
3256
3257                   
3258         </itemizedlist>
3259 </para>
3260 </sect2>
3261
3262 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3263 <para>
3264 <itemizedlist>
3265     <listitem><para>
3266     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3267     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3268     </para></listitem>
3269
3270     <listitem><para>
3271             If the module contains any top-level splices that must be run, you must use GHC with
3272             <literal>--make</literal> or <literal>--interactive</literal> flags.  (Reason: that 
3273             means it walks the dependency tree and knows what modules must be linked etc.)
3274    </para></listitem>
3275
3276     <listitem><para>
3277     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3278             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3279             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3280    </para></listitem>
3281
3282     <listitem><para>
3283             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3284    </para></listitem>
3285 </itemizedlist>
3286 </para>
3287 </sect2>
3288  
3289 </sect1>
3290
3291 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3292
3293 <sect1 id="sec-assertions">
3294 <title>Assertions
3295 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3296 </title>
3297
3298 <para>
3299 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3300 could define a function like the following:
3301 </para>
3302
3303 <para>
3304
3305 <programlisting>
3306 assert :: Bool -> a -> a
3307 assert False x = error "assertion failed!"
3308 assert _     x = x
3309 </programlisting>
3310
3311 </para>
3312
3313 <para>
3314 which works, but gives you back a less than useful error message --
3315 an assertion failed, but which and where?
3316 </para>
3317
3318 <para>
3319 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3320 takes a descriptive string to include in the error message and
3321 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3322 the source location where <function>assert</function> was used.
3323 </para>
3324
3325 <para>
3326 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3327 use of <function>assert</function> in the user's source:
3328 </para>
3329
3330 <para>
3331
3332 <programlisting>
3333 kelvinToC :: Double -> Double
3334 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3335 </programlisting>
3336
3337 </para>
3338
3339 <para>
3340 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3341 assertion was made,
3342 </para>
3343
3344 <para>
3345
3346 <programlisting>
3347 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3348 </programlisting>
3349
3350 </para>
3351
3352 <para>
3353 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3354 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3355 can still define and use your own versions of
3356 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3357 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3358 <function>assert</function> in your code.
3359 </para>
3360
3361 <para>
3362 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3363 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3364 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3365 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3366 <literal>e</literal>.
3367 </para>
3368
3369 <para>
3370 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3371 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3372 </para>
3373
3374 </sect1>
3375
3376
3377 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3378
3379   <sect1 id="pragmas">
3380     <title>Pragmas</title>
3381
3382     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3383
3384     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3385     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3386     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3387     of the generated code.</para>
3388
3389     <para>Pragmas all take the form
3390
3391 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3392
3393     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3394     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3395     type of pragma.  Case is ignored in
3396     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3397     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3398     in the following sections; any pragma encountered with an
3399     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3400     ignored.</para>
3401
3402 <sect2 id="inline-pragma">
3403 <title>INLINE pragma
3404
3405 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
3406 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3407
3408 <para>
3409 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3410 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3411 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3412 </para>
3413
3414 <para>
3415 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
3416 interface files.
3417 </para>
3418
3419 <para>
3420 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3421 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3422 use.
3423 </para>
3424
3425 <para>
3426 The sledgehammer you can bring to bear is the
3427 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3428
3429 <programlisting>
3430 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3431
3432 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3433 {-# INLINE key_function #-}
3434 #endif
3435 </programlisting>
3436
3437 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3438 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3439 </para>
3440
3441 <para>
3442 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3443 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3444 very keen to inline it.
3445 </para>
3446
3447 <para>
3448 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3449 signature could be put.
3450 </para>
3451
3452 <para>
3453 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3454 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3455 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3456
3457 <programlisting>
3458 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3459 {-# INLINE thenUs #-}
3460 {-# INLINE returnUs #-}
3461 #endif
3462 </programlisting>
3463
3464 </para>
3465
3466 </sect2>
3467
3468 <sect2 id="noinline-pragma">
3469 <title>NOINLINE pragma
3470 </title>
3471
3472 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3473 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3474 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3475 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3476
3477 <para>
3478 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3479 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3480 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3481 size.
3482 </para>
3483
3484 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3485 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3486 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3487 used if you want your code to be portable).</para>
3488
3489 </sect2>
3490
3491     <sect2 id="specialize-pragma">
3492       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3493
3494       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3495       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3496       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3497
3498       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3499       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3500       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3501       overloaded function:</para>
3502
3503 <programlisting>
3504 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3505 </programlisting>
3506
3507       <para>If it is heavily used on lists with
3508       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3509       follows:</para>
3510
3511 <programlisting>
3512 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3513 </programlisting>
3514
3515       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3516       to use for the specialised value, as in:</para>
3517
3518 <programlisting>
3519 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
3520 </programlisting>
3521
3522       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3523       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3524       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3525       Responsibility</emphasis> to make sure that
3526       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3527       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3528
3529       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3530       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3531       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3532       <xref linkend="rules"> for more information on
3533       <literal>RULES</literal>.</para>
3534
3535       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3536       specialisation will Win Big:
3537
3538 <programlisting>
3539 toDouble :: Real a => a -> Double
3540 toDouble = fromRational . toRational
3541
3542 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
3543 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3544 </programlisting>
3545
3546       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3547       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3548       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3549       comparison.</para>
3550
3551       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3552       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3553
3554     </sect2>
3555
3556 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3557 <title>SPECIALIZE instance pragma
3558 </title>
3559
3560 <para>
3561 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3562 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3563 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3564
3565 <programlisting>
3566 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3567    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3568    ... usual stuff ...
3569  }
3570 </programlisting>
3571 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3572 of the instance declaration.
3573 </para>
3574 <para>
3575 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3576 of the pragma.
3577 </para>
3578
3579 </sect2>
3580
3581 <sect2 id="line-pragma">
3582 <title>LINE pragma
3583 </title>
3584
3585 <para>
3586 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3587 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3588 </para>
3589
3590 <para>
3591 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3592 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3593 number and filename of the original code; for example
3594 </para>
3595
3596 <para>
3597
3598 <programlisting>
3599 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3600 </programlisting>
3601
3602 </para>
3603
3604 <para>
3605 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3606 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3607 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3608 pragma.
3609 </para>
3610
3611 </sect2>
3612
3613 <sect2 id="rules">
3614 <title>RULES pragma</title>
3615
3616 <para>
3617 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3618 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3619 </para>
3620
3621 </sect2>
3622
3623 <sect2 id="deprecated-pragma">
3624 <title>DEPRECATED pragma</title>
3625
3626 <para>
3627 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3628 There are two forms.  
3629 </para>
3630 <itemizedlist>
3631 <listitem><para>
3632 You can deprecate an entire module thus:</para>
3633 <programlisting>
3634    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3635      ...
3636 </programlisting>
3637 <para>
3638 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3639 the specified message.</para>
3640 </listitem>
3641
3642 <listitem>
3643 <para>
3644 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3645 </para>
3646 <programlisting>
3647    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3648 </programlisting>
3649 <para>
3650 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3651 GHC will print the specified message.
3652 </para>
3653 </listitem>
3654 </itemizedlist>
3655 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3656
3657 </sect2>
3658
3659 </sect1>
3660
3661 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3662
3663 <sect1 id="rewrite-rules">
3664 <title>Rewrite rules
3665
3666 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3667 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3668 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3669
3670 <para>
3671 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3672 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3673 </para>
3674
3675 <para>
3676 Here is an example:
3677
3678 <programlisting>
3679   {-# RULES
3680         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3681   #-}
3682 </programlisting>
3683
3684 </para>
3685
3686 <sect2>
3687 <title>Syntax</title>
3688
3689 <para>
3690 From a syntactic point of view:
3691
3692 <itemizedlist>
3693 <listitem>
3694
3695 <para>
3696  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3697 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3698 </para>
3699 </listitem>
3700 <listitem>
3701
3702 <para>
3703  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3704 </para>
3705 </listitem>
3706 <listitem>
3707
3708 <para>
3709  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3710 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3711 enclosing definitions.
3712 </para>
3713 </listitem>
3714 <listitem>
3715
3716 <para>
3717  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3718 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3719 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3720 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3721 </para>
3722 </listitem>
3723 <listitem>
3724
3725 <para>
3726  A pattern variable may optionally have a type signature.
3727 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3728 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3729
3730 <programlisting>
3731 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3732               foldr k z (build g) = g k z
3733 </programlisting>
3734
3735 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3736
3737 </para>
3738 </listitem>
3739 <listitem>
3740
3741 <para>
3742 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3743 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3744
3745 <programlisting>
3746 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3747 "wrong2"   forall f.      f True = True
3748 </programlisting>
3749
3750 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3751 in the head.
3752 </para>
3753 </listitem>
3754 <listitem>
3755
3756 <para>
3757  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3758 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3759 </para>
3760 </listitem>
3761 <listitem>
3762
3763 <para>
3764  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3765 </para>
3766 </listitem>
3767
3768 </itemizedlist>
3769
3770 </para>
3771
3772 </sect2>
3773
3774 <sect2>
3775 <title>Semantics</title>
3776
3777 <para>
3778 From a semantic point of view:
3779
3780 <itemizedlist>
3781 <listitem>
3782
3783 <para>
3784 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3785 </para>
3786 </listitem>
3787
3788 <listitem>
3789 <para>
3790  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3791 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3792 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3793 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3794 expression by substituting for the pattern variables.
3795
3796 </para>
3797 </listitem>
3798 <listitem>
3799
3800 <para>
3801  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3802 same type.
3803
3804 </para>
3805 </listitem>
3806 <listitem>
3807
3808 <para>
3809  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3810 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3811 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3812
3813 </para>
3814 </listitem>
3815 <listitem>
3816
3817 <para>
3818  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3819 terminating.  For example:
3820
3821 <programlisting>
3822   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3823 </programlisting>
3824
3825 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3826
3827 </para>
3828 </listitem>
3829 <listitem>
3830
3831 <para>
3832  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3833
3834 </para>
3835 </listitem>
3836 <listitem>
3837 <para>
3838  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3839 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3840 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3841 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3842 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3843 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3844 </para>
3845
3846 <para>
3847 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3848 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3849 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3850 </para>
3851 </listitem>
3852 <listitem>
3853
3854 <para>
3855  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3856 For example, consider:
3857
3858 <programlisting>
3859   let s = map f
3860       t = map g
3861   in
3862   s (t xs)
3863 </programlisting>
3864
3865 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3866 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3867 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3868 not be substituted, and the rule would not fire.
3869
3870 </para>
3871 </listitem>
3872 <listitem>
3873
3874 <para>
3875  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3876 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3877 for something you can't match against it (given the simple minded
3878 matching).  So if you write the rule
3879
3880 <programlisting>
3881         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3882 </programlisting>
3883
3884 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3885 It will only match something written with explicit use of ".".
3886 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3887
3888 <programlisting>
3889 wibble f g xs
3890 </programlisting>
3891
3892 where <function>wibble</function> is defined:
3893
3894 <programlisting>
3895 wibble f g = map f . map g
3896 </programlisting>
3897
3898 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3899
3900 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3901 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3902 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3903
3904 </para>
3905 </listitem>
3906 <listitem>
3907
3908 <para>
3909  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3910 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3911 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3912 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3913 declarations.
3914 </para>
3915 </listitem>
3916
3917 </itemizedlist>
3918
3919 </para>
3920
3921 </sect2>
3922
3923 <sect2>
3924 <title>List fusion</title>
3925
3926 <para>
3927 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3928 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3929 intermediate list should be eliminated entirely.
3930 </para>
3931
3932 <para>
3933 The following are good producers:
3934
3935 <itemizedlist>
3936 <listitem>
3937
3938 <para>
3939  List comprehensions
3940 </para>
3941 </listitem>
3942 <listitem>
3943
3944 <para>
3945  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3946 </para>
3947 </listitem>
3948 <listitem>
3949
3950 <para>
3951  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3952 </para>
3953 </listitem>
3954 <listitem>
3955
3956 <para>
3957  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3958 </para>
3959 </listitem>
3960 <listitem>
3961
3962 <para>
3963  <function>++</function>
3964 </para>
3965 </listitem>
3966
3967 <listitem>
3968 <para>
3969  <function>map</function>
3970 </para>
3971 </listitem>
3972
3973 <listitem>
3974 <para>
3975  <function>filter</function>
3976 </para>
3977 </listitem>
3978 <listitem>
3979
3980 <para>
3981  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3982 </para>
3983 </listitem>
3984 <listitem>
3985
3986 <para>
3987  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3988 </para>
3989 </listitem>
3990
3991 </itemizedlist>
3992
3993 </para>
3994
3995 <para>
3996 The following are good consumers:
3997
3998 <itemizedlist>
3999 <listitem>
4000
4001 <para>
4002  List comprehensions
4003 </para>
4004 </listitem>
4005 <listitem>
4006
4007 <para>
4008  <function>array</function> (on its second argument)
4009 </para>
4010 </listitem>
4011 <listitem>
4012
4013 <para>
4014  <function>length</function>
4015 </para>
4016 </listitem>
4017 <listitem>
4018
4019 <para>
4020  <function>++</function> (on its first argument)
4021 </para>
4022 </listitem>
4023
4024 <listitem>
4025 <para>
4026  <function>foldr</function>
4027 </para>
4028 </listitem>
4029
4030 <listitem>
4031 <para>
4032  <function>map</function>
4033 </para>
4034 </listitem>
4035 <listitem>
4036
4037 <para>
4038  <function>filter</function>
4039 </para>
4040 </listitem>
4041 <listitem>
4042
4043 <para>
4044  <function>concat</function>
4045 </para>
4046 </listitem>
4047 <listitem>
4048
4049 <para>
4050  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4051 </para>
4052 </listitem>
4053 <listitem>
4054
4055 <para>
4056  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4057 will fuse with one but not the other)
4058 </para>
4059 </listitem>
4060 <listitem>
4061
4062 <para>
4063  <function>partition</function>
4064 </para>
4065 </listitem>
4066 <listitem>
4067
4068 <para>
4069  <function>head</function>
4070 </para>
4071 </listitem>
4072 <listitem>
4073
4074 <para>
4075  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4076 </para>
4077 </listitem>
4078 <listitem>
4079
4080 <para>
4081  <function>sequence&lowbar;</function>
4082 </para>
4083 </listitem>
4084 <listitem>
4085
4086 <para>
4087  <function>msum</function>
4088 </para>
4089 </listitem>
4090 <listitem>
4091
4092 <para>
4093  <function>sortBy</function>
4094 </para>
4095 </listitem>
4096
4097 </itemizedlist>
4098
4099 </para>
4100
4101 <para>
4102 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4103
4104 <programlisting>
4105 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4106 </programlisting>
4107
4108 </para>
4109
4110 <para>
4111 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4112 a lot which are not included, please tell us.
4113 </para>
4114
4115 <para>
4116 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4117 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4118 </para>
4119
4120 </sect2>
4121
4122 <sect2 id="rule-spec">
4123 <title>Specialisation
4124 </title>
4125
4126 <para>
4127 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4128 present in earlier version of GHC:
4129
4130 <programlisting>
4131   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4132 </programlisting>
4133
4134 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4135 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4136 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4137 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4138 </para>
4139
4140 <para>
4141 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4142 same thing:
4143
4144 <programlisting>
4145 {-# RULES
4146   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4147 #-}
4148 </programlisting>
4149
4150 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4151 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4152 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4153
4154 <programlisting>
4155 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4156         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4157 </programlisting>
4158
4159 What is more,
4160 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4161 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4162 have an original definition available to specialise).
4163 </para>
4164
4165 </sect2>
4166
4167 <sect2>
4168 <title>Controlling what's going on</title>
4169
4170 <para>
4171
4172 <itemizedlist>
4173 <listitem>
4174
4175 <para>
4176  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4177 </para>
4178 </listitem>
4179 <listitem>
4180
4181 <para>
4182  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4183 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4184 </para>
4185 </listitem>
4186 <listitem>
4187
4188 <para>
4189  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
4190
4191 <programlisting>
4192         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4193         {-# INLINE build #-}
4194         build g = g (:) []
4195 </programlisting>
4196
4197 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4198 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4199 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4200 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4201
4202 </para>
4203 </listitem>
4204 <listitem>
4205
4206 <para>
4207  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4208 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4209 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
4210 </para>
4211 </listitem>
4212
4213 </itemizedlist>
4214
4215 </para>
4216
4217 </sect2>
4218
4219 </sect1>
4220
4221 <sect1 id="generic-classes">
4222 <title>Generic classes</title>
4223
4224     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4225     GHC 5.02).</para>
4226
4227 <para>
4228 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4229 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4230 An example will give the idea:
4231 </para>
4232
4233 <programlisting>
4234   import Generics
4235
4236   class Bin a where
4237     toBin   :: a -> [Int]
4238     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4239   
4240     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4241     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4242     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4243     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4244   
4245     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4246     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4247     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4248     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4249                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4250 </programlisting>
4251 <para>
4252 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4253 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4254 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4255 </para>
4256 <programlisting>
4257   data Unit    = Unit
4258   data a :+: b = Inl a | Inr b
4259   data a :*: b = a :*: b
4260 </programlisting>
4261 <para>
4262 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4263 <programlisting>
4264   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4265   instance Bin a => Bin [a]
4266 </programlisting>
4267 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
4268 where clause and over-ride whichever methods you please.
4269 </para>
4270
4271     <sect2>
4272       <title> Using generics </title>
4273       <para>To use generics you need to</para>
4274       <itemizedlist>
4275         <listitem>
4276           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4277                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4278                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4279                 available.  </para>
4280         </listitem>
4281         <listitem>
4282           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4283           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4284           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4285           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4286           don't need this import if you don't mention these types
4287           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4288           declarations.)</para>
4289         </listitem>
4290       </itemizedlist>
4291     </sect2>
4292
4293 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4294 <para>
4295 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4296 can be written infix (indeed, you can now use
4297 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4298 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4299 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4300 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4301 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4302 anticipate wanting).
4303 </para>
4304 </sect2>
4305
4306 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4307 <para>
4308 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4309 is one that is defined using type patterns as above.
4310 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4311 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4312 generic default method.
4313 </para>
4314
4315 <para>
4316 Restrictions:
4317 <itemizedlist>
4318 <listitem>
4319 <para>
4320 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4321 field labels.
4322 </para>
4323 </listitem>
4324
4325 <listitem>
4326 <para>
4327 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4328 multi-parameter class.
4329 </para>
4330 </listitem>
4331
4332 <listitem>
4333 <para>
4334 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4335 without.  So this is illegal:
4336 <programlisting>
4337   class Foo a where
4338     op :: a -> (a, Bool)
4339     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4340     op x               = (x,    False)
4341 </programlisting>
4342 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4343 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4344 </para>
4345 </listitem>
4346
4347 <listitem>
4348 <para>
4349 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4350 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:
4351 <programlisting>
4352   class Foo a where
4353     op :: a -> Bool
4354     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4355     ...
4356 </programlisting>
4357 </para>
4358 </listitem>
4359
4360 <listitem>
4361 <para>
4362 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4363 <programlisting>
4364        a :+: b
4365        a :*: b
4366        Unit
4367 </programlisting>
4368 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4369 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4370 must use the same type variables.  So this is illegal:
4371 <programlisting>
4372   class Foo a where
4373     op :: a -> Bool
4374     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4375     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4376 </programlisting>
4377 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4378 So this too is illegal:
4379 <programlisting>
4380   class Foo a where
4381     op1 :: a -> Bool
4382     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4383
4384     op2 :: a -> Bool
4385     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4386 </programlisting>
4387 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4388 into a single generic instance declaration.)
4389 </para>
4390 </listitem>
4391
4392 <listitem>
4393 <para>
4394 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4395 </para>
4396 </listitem>
4397
4398 <listitem>
4399 <para>
4400 The type for a generic method can be built only from:
4401   <itemizedlist>
4402   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4403   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4404   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4405   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4406   </itemizedlist>
4407 Here are some example type signatures for generic methods:
4408 <programlisting>
4409     op1 :: a -> Bool
4410     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4411     op3 :: [Int] -> a -> a
4412     op4 :: [a] -> Bool
4413 </programlisting>
4414 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4415 inside a list.  
4416 </para>
4417 <para>
4418 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4419 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4420 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4421 to the ones that are allowed.</para>
4422 </listitem>
4423
4424 <listitem>
4425 <para>
4426 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4427 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4428 do so if
4429   <itemizedlist>
4430   <listitem>
4431   <para>
4432   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4433   </para>
4434   </listitem>
4435   <listitem>
4436   <para>
4437   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4438   </para>
4439   </listitem>
4440   </itemizedlist>
4441 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4442 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4443 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4444 </para>
4445 </listitem>
4446
4447 </itemizedlist>
4448 </para>
4449
4450 <para>
4451 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4452 what the compiler does with generic declarations.
4453 </para>
4454
4455 </sect2>
4456
4457 <sect2> <title> Another example </title>
4458 <para>
4459 Just to finish with, here's another example I rather like:
4460 <programlisting>
4461   class Tag a where
4462     nCons :: a -> Int
4463     nCons {| Unit |}    _ = 1
4464     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4465     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4466   
4467     tag :: a -> Int
4468     tag {| Unit |}    _       = 1
4469     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4470     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4471     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4472 </programlisting>
4473 </para>
4474 </sect2>
4475 </sect1>
4476
4477
4478
4479 <!-- Emacs stuff:
4480      ;;; Local Variables: ***
4481      ;;; mode: sgml ***
4482      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4483      ;;; End: ***
4484  -->