[project @ 2002-02-11 15:41:18 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Executive summary of our extensions:
20 </para>
21
22   <variablelist>
23
24     <varlistentry>
25       <term>Unboxed types and primitive operations:</Term>
26       <listitem>
27         <para>You can get right down to the raw machine types and
28         operations; included in this are &ldquo;primitive
29         arrays&rdquo; (direct access to Big Wads of Bytes).  Please
30         see <XRef LinkEnd="glasgow-unboxed"> and following.</para>
31       </listitem>
32     </varlistentry>
33
34     <varlistentry>
35       <term>Type system extensions:</term>
36       <listitem>
37         <para> GHC supports a large number of extensions to Haskell's
38         type system.  Specifically:</para>
39
40         <variablelist>
41           <varlistentry>
42             <term>Multi-parameter type classes:</term>
43             <listitem>
44               <para><xref LinkEnd="multi-param-type-classes"></para>
45             </listitem>
46           </varlistentry>
47
48           <varlistentry>
49             <term>Functional dependencies:</term>
50             <listitem>
51               <para><xref LinkEnd="functional-dependencies"></para>
52             </listitem>
53           </varlistentry>
54
55           <varlistentry>
56             <term>Implicit parameters:</term>
57             <listitem>
58               <para><xref LinkEnd="implicit-parameters"></para>
59             </listitem>
60           </varlistentry>
61
62           <varlistentry>
63             <term>Linear implicit parameters:</term>
64             <listitem>
65               <para><xref LinkEnd="linear-implicit-parameters"></para>
66             </listitem>
67           </varlistentry>
68
69           <varlistentry>
70             <term>Local universal quantification:</term>
71             <listitem>
72               <para><xref LinkEnd="universal-quantification"></para>
73             </listitem>
74           </varlistentry>
75
76           <varlistentry>
77             <term>Extistentially quantification in data types:</term>
78             <listitem>
79               <para><xref LinkEnd="existential-quantification"></para>
80             </listitem>
81           </varlistentry>
82
83           <varlistentry>
84             <term>Scoped type variables:</term>
85             <listitem>
86               <para>Scoped type variables enable the programmer to
87               supply type signatures for some nested declarations,
88               where this would not be legal in Haskell 98.  Details in
89               <xref LinkEnd="scoped-type-variables">.</para>
90             </listitem>
91           </varlistentry>
92         </variablelist>
93       </listitem>
94     </varlistentry>
95
96     <varlistentry>
97       <term>Pattern guards</term>
98       <listitem>
99         <para>Instead of being a boolean expression, a guard is a list
100         of qualifiers, exactly as in a list comprehension. See <xref
101         LinkEnd="pattern-guards">.</para>
102       </listitem>
103     </varlistentry>
104
105     <varlistentry>
106       <term>Data types with no constructors</term>
107       <listitem>
108         <para>See <xref LinkEnd="nullary-types">.</para>
109       </listitem>
110     </varlistentry>
111
112     <varlistentry>
113       <term>Parallel list comprehensions</term>
114       <listitem>
115         <para>An extension to the list comprehension syntax to support
116         <literal>zipWith</literal>-like functionality.  See <xref
117         linkend="parallel-list-comprehensions">.</para>
118       </listitem>
119     </varlistentry>
120
121     <varlistentry>
122       <term>Foreign calling:</term>
123       <listitem>
124         <para>Just what it sounds like.  We provide
125         <emphasis>lots</emphasis> of rope that you can dangle around
126         your neck.  Please see <xref LinkEnd="ffi">.</para>
127       </listitem>
128     </varlistentry>
129
130     <varlistentry>
131       <term>Pragmas</term>
132       <listitem>
133         <para>Pragmas are special instructions to the compiler placed
134         in the source file.  The pragmas GHC supports are described in
135         <xref LinkEnd="pragmas">.</para>
136       </listitem>
137     </varlistentry>
138
139     <varlistentry>
140       <term>Rewrite rules:</term>
141       <listitem>
142         <para>The programmer can specify rewrite rules as part of the
143         source program (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules
144         wherever it can.  Details in <xref
145         LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
146       </listitem>
147     </varlistentry>
148
149     <varlistentry>
150       <term>Generic classes:</term>
151       <listitem>
152         <para>(Note: support for generic classes is currently broken
153         in GHC 5.02).</para>
154
155         <para>Generic class declarations allow you to define a class
156         whose methods say how to work over an arbitrary data type.
157         Then it's really easy to make any new type into an instance of
158         the class.  This generalises the rather ad-hoc "deriving"
159         feature of Haskell 98.  Details in <xref
160         LinkEnd="generic-classes">.</para>
161       </listitem>
162     </varlistentry>
163   </variablelist>
164
165 <para>
166 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
167 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
168 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
169 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  See
170 <xref linkend="book-hslibs">.
171 </para>
172
173   <sect1 id="options-language">
174     <title>Language options</title>
175
176     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
177     </indexterm>
178     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
179     </indexterm>
180     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
181     </indexterm>
182
183     <para> These flags control what variation of the language are
184     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
185     98.</para>
186
187     <variablelist>
188
189       <varlistentry>
190         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
191         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
192         <listitem>
193           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
194           Haskell 98 described in <xref
195           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
196           noted. </para>
197         </listitem>
198       </varlistentry>
199
200       <varlistentry>
201         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
202         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
203         <listitem>
204           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
205           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
206           flag. </para>
207         </listitem>
208       </varlistentry>
209
210       <varlistentry>
211         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
212         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
213         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
214         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
215         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
216         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
217         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
218         <listitem>
219           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
220           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
221         </listitem>
222       </varlistentry>
223
224       <varlistentry>
225         <term><option>-finline-phase</option></term>
226         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
227         <listitem>
228           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
229           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
230         </listitem>
231       </varlistentry>
232
233       <varlistentry>
234         <term><option>-fgenerics</option></term>
235         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
236         <listitem>
237           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
238           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
239         </listitem>
240       </varlistentry>
241
242         <varlistentry>
243           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
244           <listitem>
245             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
246             option</primary></indexterm> GHC normally imports
247             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
248             rather it didn't, then give it a
249             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
250             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
251             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
252             module namespace is flat, and you must not conflict with
253             any Prelude module.)</para>
254
255             <para>Even though you have not imported the Prelude, all
256             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
257             Prelude types and values, as specified by the Haskell
258             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
259             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
260             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
261             translation for list comprehensions continues to use
262             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
263
264             <para> With one group of exceptions!  You may want to
265             define your own numeric class hierarchy.  It completely
266             defeats that purpose if the literal "1" means
267             "<literal>Prelude.fromInteger 1</literal>", which is what
268             the Haskell Report specifies.  So the
269             <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes the
270             following pieces of built-in syntax to refer to <emphasis>whatever
271             is in scope</emphasis>, not the Prelude versions:</para>
272
273             <itemizedlist>
274               <listitem>
275                 <para>Integer and fractional literals mean
276                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
277                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
278                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
279                 patterns.</para>
280               </listitem>
281
282               <listitem>
283                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
284                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
285                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
286               </listitem>
287
288               <listitem>
289                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
290                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
291                 but the necessary subtraction uses whatever
292                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
293                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
294               </listitem>
295             </itemizedlist>
296
297              <para>Note: Negative literals, such as <literal>-3</literal>, are
298              specified by (a careful reading of) the Haskell Report as 
299              meaning <literal>Prelude.negate (Prelude.fromInteger 3)</literal>.
300              However, GHC deviates from this slightly, and treats them as meaning
301              <literal>fromInteger (-3)</literal>.  One particular effect of this
302              slightly-non-standard reading is that there is no difficulty with
303              the literal <literal>-2147483648</literal> at type <literal>Int</literal>;
304              it means <literal>fromInteger (-2147483648)</literal>.  The strict interpretation
305              would be <literal>negate (fromInteger 2147483648)</literal>,
306              and the call to <literal>fromInteger</literal> would overflow
307              (at type <literal>Int</literal>, remember).
308              </para>
309
310           </listitem>
311         </varlistentry>
312
313     </variablelist>
314   </sect1>
315
316 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
317 &primitives;
318
319 <sect1 id="glasgow-ST-monad">
320 <title>Primitive state-transformer monad</title>
321
322 <para>
323 <indexterm><primary>state transformers (Glasgow extensions)</primary></indexterm>
324 <indexterm><primary>ST monad (Glasgow extension)</primary></indexterm>
325 </para>
326
327 <para>
328 This monad underlies our implementation of arrays, mutable and
329 immutable, and our implementation of I/O, including &ldquo;C calls&rdquo;.
330 </para>
331
332 <para>
333 The <literal>ST</literal> library, which provides access to the
334 <function>ST</function> monad, is described in <xref
335 linkend="sec-ST">.
336 </para>
337
338 </sect1>
339
340 <sect1 id="glasgow-prim-arrays">
341 <title>Primitive arrays, mutable and otherwise
342 </title>
343
344 <para>
345 <indexterm><primary>primitive arrays (Glasgow extension)</primary></indexterm>
346 <indexterm><primary>arrays, primitive (Glasgow extension)</primary></indexterm>
347 </para>
348
349 <para>
350 GHC knows about quite a few flavours of Large Swathes of Bytes.
351 </para>
352
353 <para>
354 First, GHC distinguishes between primitive arrays of (boxed) Haskell
355 objects (type <literal>Array&num; obj</literal>) and primitive arrays of bytes (type
356 <literal>ByteArray&num;</literal>).
357 </para>
358
359 <para>
360 Second, it distinguishes between&hellip;
361 <variablelist>
362
363 <varlistentry>
364 <term>Immutable:</term>
365 <listitem>
366 <para>
367 Arrays that do not change (as with &ldquo;standard&rdquo; Haskell arrays); you
368 can only read from them.  Obviously, they do not need the care and
369 attention of the state-transformer monad.
370 </para>
371 </listitem>
372 </varlistentry>
373 <varlistentry>
374 <term>Mutable:</term>
375 <listitem>
376 <para>
377 Arrays that may be changed or &ldquo;mutated.&rdquo;  All the operations on them
378 live within the state-transformer monad and the updates happen
379 <emphasis>in-place</emphasis>.
380 </para>
381 </listitem>
382 </varlistentry>
383 <varlistentry>
384 <term>&ldquo;Static&rdquo; (in C land):</term>
385 <listitem>
386 <para>
387 A C routine may pass an <literal>Addr&num;</literal> pointer back into Haskell land.  There
388 are then primitive operations with which you may merrily grab values
389 over in C land, by indexing off the &ldquo;static&rdquo; pointer.
390 </para>
391 </listitem>
392 </varlistentry>
393 <varlistentry>
394 <term>&ldquo;Stable&rdquo; pointers:</term>
395 <listitem>
396 <para>
397 If, for some reason, you wish to hand a Haskell pointer (i.e.,
398 <emphasis>not</emphasis> an unboxed value) to a C routine, you first make the
399 pointer &ldquo;stable,&rdquo; so that the garbage collector won't forget that it
400 exists.  That is, GHC provides a safe way to pass Haskell pointers to
401 C.
402 </para>
403
404 <para>
405 Please see <xref LinkEnd="sec-stable-pointers"> for more details.
406 </para>
407 </listitem>
408 </varlistentry>
409 <varlistentry>
410 <term>&ldquo;Foreign objects&rdquo;:</term>
411 <listitem>
412 <para>
413 A &ldquo;foreign object&rdquo; is a safe way to pass an external object (a
414 C-allocated pointer, say) to Haskell and have Haskell do the Right
415 Thing when it no longer references the object.  So, for example, C
416 could pass a large bitmap over to Haskell and say &ldquo;please free this
417 memory when you're done with it.&rdquo;
418 </para>
419
420 <para>
421 Please see <xref LinkEnd="sec-ForeignObj"> for more details.
422 </para>
423 </listitem>
424 </varlistentry>
425 </variablelist>
426 </para>
427
428 <para>
429 The libraries documentatation gives more details on all these
430 &ldquo;primitive array&rdquo; types and the operations on them.
431 </para>
432
433 </sect1>
434
435
436 <sect1 id="nullary-types">
437 <title>Data types with no constructors</title>
438
439 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
440 a data type with no constructors.  For example:</para>
441 <programlisting>
442   data S      -- S :: *
443   data T a    -- T :: * -> *
444 </programlisting>
445 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
446 type can be parameterised, but only over ordinary types, of kind *; since
447 Haskell does not have kind signatures, you cannot parameterise over higher-kinded
448 types.</para>
449
450 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
451 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
452 </sect1>
453
454 <sect1 id="pattern-guards">
455 <title>Pattern guards</title>
456
457 <para>
458 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
459 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.)
460 </para>
461
462 <para>
463 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
464 lookup operation:
465
466 <programlisting>
467 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
468 </programlisting>
469
470 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
471 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
472 </para>
473
474 <programlisting>
475 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
476 | otherwise  = var1 + var2
477 where
478   m1 = lookup env var1
479   m2 = lookup env var2
480   ok1 = maybeToBool m1
481   ok2 = maybeToBool m2
482   val1 = expectJust m1
483   val2 = expectJust m2
484 </programlisting>
485
486 <para>
487 The auxiliary functions are 
488 </para>
489
490 <programlisting>
491 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
492 maybeToBool (Just x) = True
493 maybeToBool Nothing  = False
494
495 expectJust :: Maybe a -&gt; a
496 expectJust (Just x) = x
497 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
498 </programlisting>
499
500 <para>
501 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
502 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
503 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
504 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
505 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
506 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
507 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
508 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
509 </para>
510
511 <para>
512 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
513 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
514 to write clunky would be to use case expressions:
515 </para>
516
517 <programlisting>
518 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
519   Nothing -&gt; fail
520   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
521     Nothing -&gt; fail
522     Just val2 -&gt; val1 + val2
523 where
524   fail = val1 + val2
525 </programlisting>
526
527 <para>
528 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
529 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
530 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
531 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
532 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
533 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
534 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
535 tends to become more and more indented. 
536 </para>
537
538 <para>
539 Here is how I would write clunky:
540 </para>
541
542 <programlisting>
543 clunky env var1 var1
544   | Just val1 &lt;- lookup env var1
545   , Just val2 &lt;- lookup env var2
546   = val1 + val2
547 ...other equations for clunky...
548 </programlisting>
549
550 <para>
551 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
552 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
553 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
554 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
555 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
556 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
557 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
558 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
559 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
560 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
561 </para>
562
563 <para>
564 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
565 with among the pattern guards.  For example:
566 </para>
567
568 <programlisting>
569 f x | [y] <- x
570     , y > 3
571     , Just z <- h y
572     = ...
573 </programlisting>
574
575 <para>
576 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
577 qualifier list has just one element, a boolean expression.
578 </para>
579 </sect1>
580
581   <sect1 id="parallel-list-comprehensions">
582     <title>Parallel List Comprehensions</title>
583     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
584     </indexterm>
585     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
586     </indexterm>
587
588     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
589     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
590     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
591     extend this to include the zipWith family.</para>
592
593     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
594     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
595     example, the following zips together two lists:</para>
596
597 <programlisting>
598    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
599 </programlisting>
600
601     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
602     zip, in that the resulting list will have the same length as the
603     shortest branch.</para>
604
605     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
606     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
607
608     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
609
610 <programlisting>
611    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
612        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
613        ... 
614    ] 
615 </programlisting>
616
617     <para>This will be translated to: </para>
618
619 <programlisting>
620    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
621                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
622                                          ... 
623    ] 
624 </programlisting>
625
626     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
627     branches.</para>
628
629   </sect1>
630
631 <sect1 id="multi-param-type-classes">
632 <title>Multi-parameter type classes
633 </title>
634
635 <para>
636 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
637 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
638 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
639 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
640 Jones, Erik Meijer).
641 </para>
642
643 <para>
644 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
645 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
646 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
647 examples to support several generalisations.  (These appear below as
648 design choices not implemented in 3.02.)
649 </para>
650
651 <para>
652 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
653 will migrate towards the same design choices as I outline here.
654 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
655 feedback.
656 </para>
657
658 <sect2>
659 <title>Types</title>
660
661 <para>
662 There are the following restrictions on the form of a qualified
663 type:
664 </para>
665
666 <para>
667
668 <programlisting>
669   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
670 </programlisting>
671
672 </para>
673
674 <para>
675 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
676 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
677 explicit source-language type signature are universally quantified,
678 except for the class type variables in a class declaration.  However,
679 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
680 </para>
681
682 <para>
683
684 <OrderedList>
685 <listitem>
686
687 <para>
688  <emphasis>Each universally quantified type variable
689 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
690
691 The reason for this is that a value with a type that does not obey
692 this restriction could not be used without introducing
693 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
694
695
696 <programlisting>
697   forall a. Eq a => Int
698 </programlisting>
699
700
701 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
702 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
703 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
704 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
705 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
706 get any more information about <literal>tv</literal>.
707
708 </para>
709 </listitem>
710 <listitem>
711
712 <para>
713  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
714 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
715
716 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
717 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
718
719
720 <programlisting>
721   forall a. C a b => burble
722 </programlisting>
723
724
725 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
726 mention <literal>a</literal>:
727
728
729 <programlisting>
730   forall a. Eq b => burble
731 </programlisting>
732
733
734 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
735 excluded types are never useful or necessary (because the offending
736 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
737 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
738 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
739 territory free in case we need it later.
740
741 </para>
742 </listitem>
743
744 </OrderedList>
745
746 </para>
747
748 <para>
749 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
750 or inferred.
751 </para>
752
753 <para>
754 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
755 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
756 are perfectly OK
757 </para>
758
759 <para>
760
761 <programlisting>
762   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
763   g :: Eq [a] => ...
764 </programlisting>
765
766 </para>
767
768 <para>
769 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
770 </para>
771
772 </sect2>
773
774 <sect2>
775 <title>Class declarations</title>
776
777 <para>
778
779 <OrderedList>
780 <listitem>
781
782 <para>
783  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
784
785
786 <programlisting>
787   class Collection c a where
788     union :: c a -> c a -> c a
789     ...etc.
790 </programlisting>
791
792
793
794 </para>
795 </listitem>
796 <listitem>
797
798 <para>
799  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
800 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
801 this is OK:
802
803
804 <programlisting>
805   class C a where {
806     op :: D b => a -> b -> b
807   }
808
809   class C a => D a where { ... }
810 </programlisting>
811
812
813 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
814 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
815 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
816
817 </para>
818 </listitem>
819 <listitem>
820
821 <para>
822  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
823 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
824 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
825
826
827 <programlisting>
828   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
829     ...
830
831   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
832     lift :: m a -> (t m) a
833 </programlisting>
834
835
836 </para>
837 </listitem>
838 <listitem>
839
840 <para>
841  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
842 must mention at least one type variable that is not a class type
843 variable</emphasis>.
844
845 Thus:
846
847
848 <programlisting>
849   class Collection c a where
850     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
851 </programlisting>
852
853
854 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
855 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
856 <literal>a</literal>.  On the other hand:
857
858
859 <programlisting>
860   class C a where
861     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
862 </programlisting>
863
864
865 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
866 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
867 example is easily fixed by moving the offending context up to the
868 superclass context:
869
870
871 <programlisting>
872   class Eq a => C a where
873     op ::(a,b) -> (a,b)
874 </programlisting>
875
876
877 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
878 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
879 Rule 1(b) for types above.
880
881 </para>
882 </listitem>
883 <listitem>
884
885 <para>
886  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
887 the class type variables</emphasis>.  For example:
888
889
890 <programlisting>
891   class Coll s a where
892     empty  :: s
893     insert :: s -> a -> s
894 </programlisting>
895
896
897 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
898 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
899 types, and has the same motivation.
900
901 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
902 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
903
904
905 <programlisting>
906   class Coll s a where
907     empty  :: s a
908     insert :: s a -> a -> s a
909 </programlisting>
910
911
912 which makes the connection between the type of a collection of
913 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
914 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
915 class like this:
916
917
918 <programlisting>
919   class CollE s where
920     empty  :: s
921
922   class CollE s => Coll s a where
923     insert :: s -> a -> s
924 </programlisting>
925
926
927 </para>
928 </listitem>
929
930 </OrderedList>
931
932 </para>
933
934 </sect2>
935
936 <sect2 id="instance-decls">
937 <title>Instance declarations</title>
938
939 <para>
940
941 <OrderedList>
942 <listitem>
943
944 <para>
945  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
946 declarations
947
948
949 <programlisting>
950   instance context1 => C type1 where ...
951   instance context2 => C type2 where ...
952 </programlisting>
953
954
955 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
956
957 However, if you give the command line option
958 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
959 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
960 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
961 if another instance declaration also applies, either now or later.
962
963 <itemizedlist>
964 <listitem>
965
966 <para>
967  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
968 </para>
969 </listitem>
970 <listitem>
971
972 <para>
973  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
974 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
975 </para>
976 </listitem>
977 </itemizedlist>
978 Notice that these rules
979 <itemizedlist>
980 <listitem>
981
982 <para>
983  make it clear which instance decl to use
984 (pick the most specific one that matches)
985
986 </para>
987 </listitem>
988 <listitem>
989
990 <para>
991  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
992 Reason: you can pick which instance decl
993 "matches" based on the type.
994 </para>
995 </listitem>
996
997 </itemizedlist>
998 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
999 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1000 <programlisting>
1001   instance C (Int,a) where ...
1002   instance C (a,Bool) where ...
1003 </programlisting>
1004 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1005 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1006 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1007 </para>
1008 <para>
1009 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1010 <programlisting>
1011   class C a where { op :: a -> a }
1012   instance C [Int] where ...
1013   instance C a => C [a] where ...
1014   
1015   f :: C b => [b] -> [b]
1016   f x = op x
1017 </programlisting>
1018 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1019 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1020 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1021 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1022 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1023 the problem of subsequent instantiations.
1024 </para>
1025 <para>
1026 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1027 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1028 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1029 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1030 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1031 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1032 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1033 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1034
1035 </para>
1036 </listitem>
1037 <listitem>
1038
1039 <para>
1040  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1041 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1042 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1043 example, these are OK:
1044
1045
1046 <programlisting>
1047   instance C Int a where ...
1048
1049   instance D (Int, Int) where ...
1050
1051   instance E [[a]] where ...
1052 </programlisting>
1053
1054
1055 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1056 For example, this is OK:
1057
1058
1059 <programlisting>
1060   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1061 </programlisting>
1062
1063
1064 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
1065 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1066 constructor.  For example, the following would make the type checker
1067 loop if it wasn't excluded:
1068
1069
1070 <programlisting>
1071   instance C a => C a where ...
1072 </programlisting>
1073
1074
1075 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1076 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1077 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1078 something more specific does not:
1079
1080
1081 <programlisting>
1082   instance C a where
1083     op = ... -- Default
1084 </programlisting>
1085
1086
1087 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1088 effect of a "class synonym":
1089
1090
1091 <programlisting>
1092   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1093
1094   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1095 </programlisting>
1096
1097
1098 This allows you to write shorter signatures:
1099
1100
1101 <programlisting>
1102   f :: C a => ...
1103 </programlisting>
1104
1105
1106 instead of
1107
1108
1109 <programlisting>
1110   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1111 </programlisting>
1112
1113
1114 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
1115 allowing these idioms.  The experimental flag
1116 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1117 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
1118 instance head to be type variables.
1119
1120 </para>
1121 </listitem>
1122 <listitem>
1123
1124 <para>
1125  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1126 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1127 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1128
1129
1130 <programlisting>
1131   type Point = (Int,Int)
1132   instance C Point   where ...
1133   instance C [Point] where ...
1134 </programlisting>
1135
1136
1137 is legal.  However, if you added
1138
1139
1140 <programlisting>
1141   instance C (Int,Int) where ...
1142 </programlisting>
1143
1144
1145 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1146 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1147 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1148
1149
1150 <programlisting>
1151   type P a = [[a]]
1152   instance Monad P where ...
1153 </programlisting>
1154
1155
1156 This design decision is independent of all the others, and easily
1157 reversed, but it makes sense to me.
1158
1159 </para>
1160 </listitem>
1161 <listitem>
1162
1163 <para>
1164 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1165 be type variables</emphasis>. Thus
1166
1167
1168 <programlisting>
1169 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1170 </programlisting>
1171
1172
1173 is OK, but
1174
1175
1176 <programlisting>
1177 instance C Int b => Foo b where ...
1178 </programlisting>
1179
1180
1181 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
1182 reduction terminates.
1183
1184 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1185 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
1186 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
1187 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
1188 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1189 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1190 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1191
1192 </para>
1193 </listitem>
1194
1195 </OrderedList>
1196
1197 </para>
1198
1199 </sect2>
1200
1201 </sect1>
1202
1203 <sect1 id="implicit-parameters">
1204 <title>Implicit parameters
1205 </title>
1206
1207 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1208 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1209 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1210 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1211 Boston, Jan 2000.
1212 </para>
1213 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1214 <para>
1215 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1216 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1217 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1218 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1219 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1220 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1221 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1222 only support static scoping of variables.
1223 </para>
1224 <para>
1225 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1226 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1227 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1228 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1229 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1230 of type <literal>t'</literal>". For
1231 example, the following expresses the type of a sort function,
1232 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1233 <programlisting>
1234   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1235 </programlisting>
1236 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1237 </para>
1238 <para>
1239 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
1240 where <literal>x</literal> is
1241 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
1242 dynamic binding constraints. For example, the following definition
1243 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1244 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1245 <programlisting>
1246   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1247
1248   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1249   sort    = sortBy ?cmp
1250 </programlisting>
1251 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1252 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1253 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1254 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1255 to pick out the least value in a list:
1256 <programlisting>
1257   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1258   least xs = fst (sort xs)
1259 </programlisting>
1260 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1261 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1262 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1263 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1264 propagate them.
1265 </para>
1266 <para>
1267 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
1268 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1269 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1270 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1271 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1272 class constraints.
1273 </para>
1274 <para>
1275 An implicit parameter is bound using an expression of the form 
1276 <emphasis>expr</emphasis> <literal>with</literal> <emphasis>binds</emphasis>, 
1277 where <literal>with</literal> is a new keyword. This form binds the implicit
1278 parameters arising in the body, not the free variables as a <literal>let</literal> or
1279 <literal>where</literal> would do. For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1280 <literal>cmp</literal>.
1281 <programlisting>
1282   min :: [a] -> a
1283   min  = least with ?cmp = (<=)
1284 </programlisting>
1285 Syntactically, the <emphasis>binds</emphasis> part of a <literal>with</literal> construct must be a
1286 collection of simple bindings to variables (no function-style
1287 bindings, and no type signatures); these bindings are neither
1288 polymorphic or recursive.
1289 </para>
1290 <para>
1291 Note the following additional constraints:
1292 <itemizedlist>
1293 <listitem>
1294 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1295 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1296 <programlisting>
1297   class (?x::Int) => C a where ...
1298   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1299 </programlisting>
1300 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1301 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1302 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1303 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1304 </listitem>
1305 </itemizedlist>
1306 </para>
1307
1308 </sect1>
1309
1310 <sect1 id="linear-implicit-parameters">
1311 <title>Linear implicit parameters
1312 </title>
1313 <para>
1314 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1315 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1316 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1317 </para>
1318 <itemizedlist>
1319 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1320 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1321 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1322 </itemizedlist>
1323
1324 <para>
1325 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1326 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1327 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1328 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1329 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1330 </para>
1331 <para>
1332 For example:
1333 <programlisting>
1334     data NameSupply = ...
1335     
1336     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1337     newName :: NameSupply -> Name
1338
1339     instance PrelSplit.Splittable NameSupply where
1340         split = splitNS
1341
1342
1343     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1344     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1345                     where
1346                       x'   = newName %ns
1347                       env' = extend env x x'
1348     ...more equations for f...
1349 </programlisting>
1350 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1351 <itemizedlist>
1352 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1353 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1354 </itemizedlist>
1355 </para>
1356 <para>
1357 So the translation done by the type checker makes
1358 the parameter explicit:
1359 <programlisting>
1360     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1361     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1362                        where
1363                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1364                          x' = newName ns2
1365                          env = extend env x x'
1366 </programlisting>
1367 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1368 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1369 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1370 defined by
1371 <programlisting>
1372         class Splittable a where
1373           split :: a -> (a,a)
1374 </programlisting>
1375 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1376 split for name supplies.  But we can simply write
1377 <programlisting>
1378         g x = (x, %ns, %ns)
1379 </programlisting>
1380 and GHC will infer
1381 <programlisting>
1382         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1383 </programlisting>
1384 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's defined in <literal>PrelSplit</literal>,
1385 and exported by <literal>GlaExts</literal>.
1386 </para>
1387 <para>
1388 Other points:
1389 <itemizedlist>
1390 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1391 are entirely distinct implicit parameters: you 
1392   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1393 </listitem>
1394
1395 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1396
1397 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1398   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1399 </itemizedlist>
1400 </para>
1401
1402 <sect2><title>Warnings</title>
1403
1404 <para>
1405 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1406 Consider the example above:
1407 <programlisting>
1408     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1409     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1410                     where
1411                       x'   = newName %ns
1412                       env' = extend env x x'
1413 </programlisting>
1414 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1415 usually a harmless thing to do, we get:
1416 <programlisting>
1417     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1418     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1419                     where
1420                       env' = extend env x (newName %ns)
1421 </programlisting>
1422 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1423 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1424 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1425 the beta rule.
1426 </para>
1427 <para>
1428 Well, this is an experimental change.  With implicit
1429 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1430 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1431 Haskell programs without knowing their typing.
1432 </para>
1433
1434 </sect2>
1435
1436 </sect1>
1437
1438 <sect1 id="functional-dependencies">
1439 <title>Functional dependencies
1440 </title>
1441
1442 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1443 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1444 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1445 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1446 </para>
1447
1448 <para>
1449 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1450 </para>
1451 </sect1>
1452
1453
1454 <sect1 id="universal-quantification">
1455 <title>Explicit universal quantification
1456 </title>
1457
1458 <para>
1459 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1460 allows us to say exactly what this means.  For example:
1461 </para>
1462 <para>
1463 <programlisting>
1464         g :: b -> b
1465 </programlisting>
1466 means this:
1467 <programlisting>
1468         g :: forall b. (b -> b)
1469 </programlisting>
1470 The two are treated identically.
1471 </para>
1472
1473 <para>
1474 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1475 explicit universal quantification in
1476 types. 
1477 For example, all the following types are legal:
1478 <programlisting>
1479     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1480     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1481
1482     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1483     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1484
1485     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1486 </programlisting>
1487 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1488 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1489 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1490 is implicitly added by Haskell.
1491 </para>
1492 <para>
1493 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1494 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1495 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1496 </para>
1497 <para>
1498 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1499 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1500 </para>
1501 <para>
1502 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1503 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1504 that restriction has now been lifted.)
1505 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1506 including an operational type class context, is legal:
1507 <itemizedlist>
1508 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1509 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1510 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1511 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1512 field type signatures.</para> </listitem>
1513 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1514 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1515 </itemizedlist>
1516 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1517 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1518 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1519 <programlisting>
1520     x1 :: [forall a. a->a]
1521     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1522     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1523 </programlisting>
1524 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1525 a type variable any more!
1526 </para>
1527
1528
1529 <sect2 id="univ">
1530 <title>Examples
1531 </title>
1532
1533 <para>
1534 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1535 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1536 </para>
1537
1538 <para>
1539
1540 <programlisting>
1541 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1542
1543 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1544                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1545                         }
1546
1547 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1548 </programlisting>
1549
1550 </para>
1551
1552 <para>
1553 The constructors have rank-2 types:
1554 </para>
1555
1556 <para>
1557
1558 <programlisting>
1559 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1560 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1561                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1562                   -> MonadT m
1563 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1564 </programlisting>
1565
1566 </para>
1567
1568 <para>
1569 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1570 explicit context.  For example in the first argument of the
1571 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1572 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1573 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1574 mentioned in the type quantified over.
1575 </para>
1576
1577 <para>
1578 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1579 types too.  So if you write this:
1580
1581 <programlisting>
1582   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1583 </programlisting>
1584
1585 it's just as if you had written this:
1586
1587 <programlisting>
1588   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1589 </programlisting>
1590
1591 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1592 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1593 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1594 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1595 </para>
1596
1597 <para>
1598 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1599 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1600 </para>
1601
1602 <para>
1603
1604 <programlisting>
1605     a1 :: T Int
1606     a1 = T1 (\xy->x) 3
1607     
1608     a2, a3 :: Swizzle
1609     a2 = MkSwizzle sort
1610     a3 = MkSwizzle reverse
1611     
1612     a4 :: MonadT Maybe
1613     a4 = let r x = Just x
1614              b m k = case m of
1615                        Just y -> k y
1616                        Nothing -> Nothing
1617          in
1618          MkMonad r b
1619
1620     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1621     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1622 </programlisting>
1623
1624 </para>
1625
1626 <para>
1627 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1628 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1629 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1630 </para>
1631
1632 <para>
1633 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1634 polymorphic types.  For example:
1635 </para>
1636
1637 <para>
1638
1639 <programlisting>
1640     f :: T a -> a -> (a, Char)
1641     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1642
1643     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1644     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1645
1646     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1647     h m [] = return m []
1648     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1649                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1650                  return m (y:ys)
1651 </programlisting>
1652
1653 </para>
1654
1655 <para>
1656 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1657 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1658 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1659 matching.
1660 </para>
1661 </sect2>
1662
1663 <sect2>
1664 <title>Type inference</title>
1665
1666 <para>
1667 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1668 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1669 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1670 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1671 </para>
1672 <para>
1673 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1674 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1675 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1676 </para>
1677 <para>
1678 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1679 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1680 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1681 <programlisting>
1682      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1683 </programlisting>
1684 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1685 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1686 <programlisting>
1687      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1688 </programlisting>
1689 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1690 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1691 one can give a type signature for the function itself:
1692 <programlisting>
1693      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1694      h f = (f True, f 'c')
1695 </programlisting>
1696 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1697 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1698 <programlisting>
1699     f :: T a -> a -> (a, Char)
1700     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1701 </programlisting>
1702 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1703 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1704 it needs to know.
1705 </para>
1706
1707 </sect2>
1708
1709
1710 <sect2 id="implicit-quant">
1711 <title>Implicit quantification</title>
1712
1713 <para>
1714 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1715 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1716 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1717 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1718 equivalent:
1719 <programlisting>
1720   f :: a -> a
1721   f :: forall a. a -> a
1722
1723   g (x::a) = let
1724                 h :: a -> b -> b
1725                 h x y = y
1726              in ...
1727   g (x::a) = let
1728                 h :: forall b. a -> b -> b
1729                 h x y = y
1730              in ...
1731 </programlisting>
1732 </para>
1733 <para>
1734 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1735 point.  For example:
1736 <programlisting>
1737   f :: (a -> a) -> Int
1738            -- MEANS
1739   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1740            -- NOT
1741   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1742
1743
1744   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1745            -- MEANS the illegal type
1746   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1747            -- NOT
1748   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1749 </programlisting>
1750 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1751 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1752 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1753 for rank-2 types.
1754 </para>
1755 </sect2>
1756 </sect1>
1757
1758 <sect1 id="hoist">
1759 <title>Type synonyms and hoisting
1760 </title>
1761
1762 <para>
1763 Type synonmys are like macros at the type level, and GHC is much more liberal
1764 about them than Haskell 98.  In particular:
1765 <itemizedlist>
1766 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1767 in a type synonym, thus:
1768 <programlisting>
1769   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1770
1771   f :: Discard a
1772   f x y = (x, show y)
1773
1774   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1775   g f = f Int True
1776 </programlisting>
1777 </para>
1778 </listitem>
1779
1780 <listitem><para>
1781 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1782 <programlisting>
1783   type Pr = (# Int, Int #)
1784
1785   h :: Int -> Pr
1786   h x = (# x, x #)
1787 </programlisting>
1788 </para></listitem>
1789 </itemizedlist>
1790 </para>
1791 <para>
1792 GHC does validity checking on types <emphasis>after expanding type synonyms</emphasis> 
1793 so, for example,
1794 this will be rejected:
1795 <programlisting>
1796   type Pr = (# Int, Int #)
1797
1798   h :: Pr -> Int
1799   h x = ...
1800 </programlisting>
1801 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1802 </para>
1803
1804 <para>
1805 However, it is often convenient to use these sort of generalised synonyms at the right hand
1806 end of an arrow, thus:
1807 <programlisting>
1808   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1809
1810   g :: Int -> Discard Int
1811   g x y z = x+y
1812 </programlisting>
1813 Simply expanding the type synonym would give
1814 <programlisting>
1815   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1816 </programlisting>
1817 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1818 <programlisting>
1819   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1820 </programlisting>
1821 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1822 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1823 performs the transformation:</emphasis>
1824 <programlisting>
1825   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1826 ==>
1827   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1828 </programlisting>
1829 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1830 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1831 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1832 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1833 <programlisting>
1834   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1835 </programlisting>
1836 </para>
1837 </sect1>
1838
1839
1840 <sect1 id="existential-quantification">
1841 <title>Existentially quantified data constructors
1842 </title>
1843
1844 <para>
1845 The idea of using existential quantification in data type declarations
1846 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1847 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1848 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1849 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1850 </para>
1851
1852 <para>
1853
1854 <programlisting>
1855   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1856            | Nil
1857 </programlisting>
1858
1859 </para>
1860
1861 <para>
1862 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1863 </para>
1864
1865 <para>
1866
1867 <programlisting>
1868   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1869   Nil   :: Foo
1870 </programlisting>
1871
1872 </para>
1873
1874 <para>
1875 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1876 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1877 For example, the following expression is fine:
1878 </para>
1879
1880 <para>
1881
1882 <programlisting>
1883   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1884 </programlisting>
1885
1886 </para>
1887
1888 <para>
1889 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1890 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1891 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1892 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1893 </para>
1894
1895 <para>
1896 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1897 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1898 </para>
1899
1900 <para>
1901
1902 <programlisting>
1903   f (MkFoo val fn) = ???
1904 </programlisting>
1905
1906 </para>
1907
1908 <para>
1909 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1910 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1911 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1912 </para>
1913
1914 <para>
1915
1916 <programlisting>
1917   f :: Foo -> Bool
1918   f (MkFoo val fn) = fn val
1919 </programlisting>
1920
1921 </para>
1922
1923 <para>
1924 What this allows us to do is to package heterogenous values
1925 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1926 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1927 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1928 </para>
1929
1930 <sect2 id="existential">
1931 <title>Why existential?
1932 </title>
1933
1934 <para>
1935 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1936 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1937 </para>
1938
1939 <para>
1940
1941 <programlisting>
1942   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1943 </programlisting>
1944
1945 </para>
1946
1947 <para>
1948 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1949 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1950 adding a new existential quantification construct.
1951 </para>
1952
1953 </sect2>
1954
1955 <sect2>
1956 <title>Type classes</title>
1957
1958 <para>
1959 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1960 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1961 </para>
1962
1963 <para>
1964
1965 <programlisting>
1966 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1967          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1968 </programlisting>
1969
1970 </para>
1971
1972 <para>
1973 The two constructors have the types you'd expect:
1974 </para>
1975
1976 <para>
1977
1978 <programlisting>
1979 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1980 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1981 </programlisting>
1982
1983 </para>
1984
1985 <para>
1986 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1987 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1988 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1989 So this program is legal:
1990 </para>
1991
1992 <para>
1993
1994 <programlisting>
1995   f :: Baz -> String
1996   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1997                | otherwise = "No"
1998   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1999 </programlisting>
2000
2001 </para>
2002
2003 <para>
2004 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2005 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2006 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2007 extract it on pattern matching.
2008 </para>
2009
2010 <para>
2011 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2012 universal quantification earlier.
2013 </para>
2014
2015 </sect2>
2016
2017 <sect2>
2018 <title>Restrictions</title>
2019
2020 <para>
2021 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2022 constructors can be use.
2023 </para>
2024
2025 <para>
2026
2027 <itemizedlist>
2028 <listitem>
2029
2030 <para>
2031  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2032 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2033 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2034 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2035
2036
2037 <programlisting>
2038 f1 (MkFoo a f) = a
2039 </programlisting>
2040
2041
2042 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2043 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2044 ask what type <function>f1</function> has:
2045
2046
2047 <programlisting>
2048   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2049 </programlisting>
2050
2051
2052 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2053 this:
2054
2055
2056 <programlisting>
2057   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2058 </programlisting>
2059
2060
2061 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2062
2063
2064 <programlisting>
2065   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2066 </programlisting>
2067
2068
2069 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2070 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2071 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2072
2073
2074 </para>
2075 </listitem>
2076 <listitem>
2077
2078 <para>
2079 You can't pattern-match on an existentially quantified
2080 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2081 bindings. So this is illegal:
2082
2083
2084 <programlisting>
2085   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2086 </programlisting>
2087
2088
2089 You can only pattern-match
2090 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2091 in the patterns of a function definition.
2092
2093 The reason for this restriction is really an implementation one.
2094 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2095 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2096 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2097 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2098 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2099 annoying it is.
2100
2101 </para>
2102 </listitem>
2103 <listitem>
2104
2105 <para>
2106 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2107 declarations.  So this is illegal:
2108
2109
2110 <programlisting>
2111   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2112 </programlisting>
2113
2114
2115 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2116 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2117 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2118 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2119 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2120 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2121 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2122 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2123 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2124 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2125 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2126
2127
2128 </para>
2129 </listitem>
2130 <listitem>
2131
2132 <para>
2133  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2134 data type with existentially quantified data constructors.
2135
2136 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2137
2138 <programlisting>
2139 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2140 </programlisting>
2141
2142 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2143 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2144
2145 <programlisting>
2146 instance Eq T where
2147   (MkT a) == (MkT b) = ???
2148 </programlisting>
2149
2150 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2151 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2152 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2153 declarations.  Define your own instances!
2154 </para>
2155 </listitem>
2156
2157 </itemizedlist>
2158
2159 </para>
2160
2161 </sect2>
2162
2163 </sect1>
2164
2165 <sect1 id="scoped-type-variables">
2166 <title>Scoped Type Variables
2167 </title>
2168
2169 <para>
2170 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2171 variable</emphasis>.  For example
2172 </para>
2173
2174 <para>
2175
2176 <programlisting>
2177 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2178            where
2179               ys :: [a]
2180               ys = reverse xs
2181 </programlisting>
2182
2183 </para>
2184
2185 <para>
2186 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2187 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2188 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2189 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2190 </para>
2191
2192 <para>
2193  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2194 type signatures.  The two can be used independently or together.
2195 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2196 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2197 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2198 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2199 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2200 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2201 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2202 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2203 it becomes possible to do so.
2204 </para>
2205
2206 <para>
2207 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2208 implementations differ from the specification below, those differences
2209 are noted.
2210 </para>
2211
2212 <para>
2213 So much for the basic idea.  Here are the details.
2214 </para>
2215
2216 <sect2>
2217 <title>What a pattern type signature means</title>
2218 <para>
2219 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2220 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2221 of the same name mean the same type.  For example:
2222 <programlisting>
2223   f :: [Int] -> Int -> Int
2224   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2225 </programlisting>
2226 The pattern type signatures on the left hand side of
2227 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2228 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2229 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2230 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2231 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2232 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2233 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2234 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2235 For example, all of these are legal:</para>
2236
2237 <programlisting>
2238   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2239
2240   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2241
2242   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2243
2244   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2245         in k x                  -- environment
2246
2247   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2248   k (x::Int) False = ...
2249
2250   w :: [b] -> [b]
2251   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2252 </programlisting>
2253
2254 </sect2>
2255
2256 <sect2>
2257 <title>Scope and implicit quantification</title>
2258
2259 <para>
2260
2261 <itemizedlist>
2262 <listitem>
2263
2264 <para>
2265 All the type variables mentioned in a pattern,
2266 that are not already in scope,
2267 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2268 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2269 For example:
2270 <programlisting>
2271   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2272              in
2273              g (x,True)
2274 </programlisting>
2275 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2276 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2277 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2278 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2279 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2280 </para>
2281 </listitem>
2282
2283 <listitem>
2284 <para>
2285 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2286 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2287 <programlisting>
2288   let
2289     f (x::a) = <...rhs of f...>
2290     (p::b, q::b) = (1,2)
2291   in <...body of let...>
2292 </programlisting>
2293 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2294 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2295 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2296 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2297 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2298 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2299 </para>
2300 </listitem>
2301
2302
2303 <listitem>
2304 <para>
2305 The type variables bound by the pattern may be 
2306 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2307 type signatures anywhere within their scope.
2308
2309 </para>
2310 </listitem>
2311
2312 <listitem>
2313 <para>
2314  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2315 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2316
2317 </para>
2318 </listitem>
2319
2320 <listitem>
2321
2322 <para>
2323  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2324 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2325
2326 <programlisting>
2327   f :: a -> a
2328   f x = x::a
2329 </programlisting>
2330
2331 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2332 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2333 and that is an incorrect typing.
2334
2335 </para>
2336 </listitem>
2337
2338 <listitem>
2339 <para>
2340 The pattern type signature is a monotype:
2341 </para>
2342
2343 <itemizedlist>
2344 <listitem> <para> 
2345 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2346 </para> </listitem>
2347
2348 <listitem>  <para> 
2349 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2350 not to type schemes.
2351 </para> </listitem>
2352
2353 <listitem>  <para> 
2354 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2355 ordinary type signatures).
2356 </para> </listitem>
2357
2358 </itemizedlist>
2359
2360 </listitem>
2361
2362 <listitem>
2363 <para>
2364
2365 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2366 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2367
2368
2369 <programlisting>
2370   class C a where
2371     op :: [a] -> a
2372
2373     op xs = let ys::[a]
2374                 ys = reverse xs
2375             in
2376             head ys
2377 </programlisting>
2378
2379
2380 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2381 </para>
2382 </listitem>
2383
2384 </itemizedlist>
2385
2386 </para>
2387
2388 </sect2>
2389
2390 <sect2>
2391 <title>Result type signatures</title>
2392
2393 <para>
2394
2395 <itemizedlist>
2396 <listitem>
2397
2398 <para>
2399  The result type of a function can be given a signature,
2400 thus:
2401
2402
2403 <programlisting>
2404   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2405 </programlisting>
2406
2407
2408 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2409 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2410 you want:
2411
2412
2413 <programlisting>
2414   f :: Int -> [a] -> [a]
2415   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2416                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2417 </programlisting>
2418
2419
2420 </para>
2421 </listitem>
2422
2423 </itemizedlist>
2424
2425 </para>
2426
2427 <para>
2428 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2429 </para>
2430
2431 </sect2>
2432
2433 <sect2>
2434 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2435
2436 <para>
2437 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2438 <itemizedlist>
2439
2440 <listitem>
2441 <para>
2442 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2443 ust on a variable:
2444
2445
2446 <programlisting>
2447   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2448 </programlisting>
2449
2450
2451 </para>
2452 </listitem>
2453 <listitem>
2454
2455 <para>
2456  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2457 in lambda abstractions:
2458
2459 <programlisting>
2460   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2461 </programlisting>
2462 </para>
2463 </listitem>
2464 <listitem>
2465
2466 <para>
2467  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2468 in <literal>case</literal> expressions:
2469
2470
2471 <programlisting>
2472   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2473 </programlisting>
2474
2475 </para>
2476 </listitem>
2477
2478 <listitem>
2479 <para>
2480 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2481 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2482 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2483 consider how one would parse this:
2484
2485
2486 <programlisting>
2487   \ x :: a -> b -> x
2488 </programlisting>
2489
2490
2491 </para>
2492 </listitem>
2493
2494 <listitem>
2495
2496 <para>
2497  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2498 For example:
2499
2500
2501 <programlisting>
2502   data T = forall a. MkT [a]
2503
2504   f :: T -> T
2505   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2506                  where
2507                    t3::[a] = [t,t,t]
2508 </programlisting>
2509
2510
2511 </para>
2512 </listitem>
2513
2514
2515 <listitem>
2516
2517 <para>
2518 Pattern type signatures 
2519 can be used in pattern bindings:
2520
2521 <programlisting>
2522   f x = let (y, z::a) = x in ...
2523   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2524   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2525   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2526 </programlisting>
2527
2528 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2529 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2530 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2531 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2532 In contrast, the binding
2533 <programlisting>
2534   f4 :: b->b
2535   f4 = \x -> x
2536 </programlisting>
2537 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2538 in <literal>f4</literal>'s scope.
2539
2540 </para>
2541 </listitem>
2542 </itemizedlist>
2543 </para>
2544
2545 </sect2>
2546 </sect1>
2547
2548 <sect1 id="sec-kinding">
2549 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2550
2551 <para>
2552 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2553 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2554 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2555 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2556 John Hughes had to define the data type:
2557 <Screen>
2558      data Set cxt a = Set [a]
2559                     | Unused (cxt a -> ())
2560 </Screen>
2561 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2562 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2563 </para>
2564 <para>
2565 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2566 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2567 <itemizedlist>
2568 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2569 <Screen>
2570   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2571 </Screen></para></listitem>
2572 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2573 <Screen>
2574   type T (f :: * -> *) = f Int
2575 </Screen></para></listitem>
2576 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2577 <Screen>
2578   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2579 </Screen></para></listitem>
2580 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2581 <Screen>
2582   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2583 </Screen></para></listitem>
2584 </itemizedlist>
2585 </para>
2586
2587 <para>
2588 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2589 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2590 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2591 single lexeme in Haskell.
2592 </para>
2593
2594 <para>
2595 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2596 as well.  Thus:
2597 <Screen>
2598    f :: (Int :: *) -> Int
2599    g :: forall a. a -> (a :: *)
2600 </Screen>
2601 The syntax is
2602 <Screen>
2603    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2604 </Screen>
2605 The parentheses are required.
2606 </para>
2607 </sect1>
2608   
2609 <sect1 id="sec-assertions">
2610 <title>Assertions
2611 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2612 </title>
2613
2614 <para>
2615 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2616 could define a function like the following:
2617 </para>
2618
2619 <para>
2620
2621 <programlisting>
2622 assert :: Bool -> a -> a
2623 assert False x = error "assertion failed!"
2624 assert _     x = x
2625 </programlisting>
2626
2627 </para>
2628
2629 <para>
2630 which works, but gives you back a less than useful error message --
2631 an assertion failed, but which and where?
2632 </para>
2633
2634 <para>
2635 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2636 takes a descriptive string to include in the error message and
2637 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2638 the source location where <function>assert</function> was used.
2639 </para>
2640
2641 <para>
2642 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2643 use of <function>assert</function> in the user's source:
2644 </para>
2645
2646 <para>
2647
2648 <programlisting>
2649 kelvinToC :: Double -> Double
2650 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2651 </programlisting>
2652
2653 </para>
2654
2655 <para>
2656 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2657 assertion was made,
2658 </para>
2659
2660 <para>
2661
2662 <programlisting>
2663 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2664 </programlisting>
2665
2666 </para>
2667
2668 <para>
2669 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2670 applications of <function>Exception.assert</function>, so you can still define and
2671 use your own versions of <function>assert</function>, should you so wish. If not,
2672 import <literal>Exception</literal> to make use <function>assert</function> in your code.
2673 </para>
2674
2675 <para>
2676 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2677 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts option</primary></indexterm> That is,
2678 expressions of the form <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to <literal>e</literal>.
2679 </para>
2680
2681 <para>
2682 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2683 <literal>Exception</literal> library (<xref linkend="sec-Exception">)
2684 for the details.
2685 </para>
2686
2687 </sect1>
2688
2689   <sect1 id="pragmas">
2690     <title>Pragmas</title>
2691
2692     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2693
2694     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2695     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2696     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2697     of the generated code.</para>
2698
2699     <para>Pragmas all take the form
2700
2701 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2702
2703     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2704     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2705     type of pragma.  Case is ignored in
2706     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2707     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2708     in the following sections; any pragma encountered with an
2709     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2710     ignored.</para>
2711
2712 <sect2 id="inline-pragma">
2713 <title>INLINE pragma
2714
2715 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2716 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2717
2718 <para>
2719 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2720 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2721 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2722 </para>
2723
2724 <para>
2725 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2726 interface files.
2727 </para>
2728
2729 <para>
2730 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2731 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2732 use.
2733 </para>
2734
2735 <para>
2736 The sledgehammer you can bring to bear is the
2737 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2738
2739 <programlisting>
2740 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2741
2742 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2743 {-# INLINE key_function #-}
2744 #endif
2745 </programlisting>
2746
2747 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2748 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2749 </para>
2750
2751 <para>
2752 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2753 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2754 very keen to inline it.
2755 </para>
2756
2757 <para>
2758 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2759 signature could be put.
2760 </para>
2761
2762 <para>
2763 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2764 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2765 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2766
2767 <programlisting>
2768 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2769 {-# INLINE thenUs #-}
2770 {-# INLINE returnUs #-}
2771 #endif
2772 </programlisting>
2773
2774 </para>
2775
2776 </sect2>
2777
2778 <sect2 id="noinline-pragma">
2779 <title>NOINLINE pragma
2780 </title>
2781
2782 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2783 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2784 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2785 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2786
2787 <para>
2788 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2789 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2790 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2791 size.
2792 </para>
2793
2794 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2795 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2796 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2797 used if you want your code to be portable).</para>
2798
2799 </sect2>
2800
2801     <sect2 id="specialize-pragma">
2802       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2803
2804       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2805       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2806       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2807
2808       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2809       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2810       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2811       overloaded function:</para>
2812
2813 <programlisting>
2814 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2815 </programlisting>
2816
2817       <para>If it is heavily used on lists with
2818       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2819       follows:</para>
2820
2821 <programlisting>
2822 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2823 </programlisting>
2824
2825       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2826       to use for the specialised value, as in:</para>
2827
2828 <programlisting>
2829 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2830 </programlisting>
2831
2832       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2833       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2834       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2835       Responsibility</emphasis> to make sure that
2836       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2837       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2838
2839       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2840       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2841       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2842       <xref linkend="rules"> for more information on
2843       <literal>RULES</literal>.</para>
2844
2845       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2846       specialisation will Win Big:
2847
2848 <programlisting>
2849 toDouble :: Real a => a -> Double
2850 toDouble = fromRational . toRational
2851
2852 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2853 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2854 </programlisting>
2855
2856       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2857       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2858       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2859       comparison.</para>
2860
2861       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2862       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2863
2864     </sect2>
2865
2866 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2867 <title>SPECIALIZE instance pragma
2868 </title>
2869
2870 <para>
2871 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2872 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2873 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2874
2875 <programlisting>
2876 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2877    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2878    ... usual stuff ...
2879  }
2880 </programlisting>
2881 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2882 of the instance declaration.
2883 </para>
2884 <para>
2885 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2886 of the pragma.
2887 </para>
2888
2889 </sect2>
2890
2891 <sect2 id="line-pragma">
2892 <title>LINE pragma
2893 </title>
2894
2895 <para>
2896 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2897 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2898 </para>
2899
2900 <para>
2901 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2902 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2903 number and filename of the original code; for example
2904 </para>
2905
2906 <para>
2907
2908 <programlisting>
2909 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2910 </programlisting>
2911
2912 </para>
2913
2914 <para>
2915 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2916 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2917 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2918 pragma.
2919 </para>
2920
2921 </sect2>
2922
2923 <sect2 id="rules">
2924 <title>RULES pragma</title>
2925
2926 <para>
2927 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2928 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2929 </para>
2930
2931 </sect2>
2932
2933 <sect2 id="deprecated-pragma">
2934 <title>DEPRECATED pragma</title>
2935
2936 <para>
2937 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2938 There are two forms.  
2939 </para>
2940 <itemizedlist>
2941 <listitem><para>
2942 You can deprecate an entire module thus:</para>
2943 <programlisting>
2944    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2945      ...
2946 </programlisting>
2947 <para>
2948 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2949 the specified message.</para>
2950 </listitem>
2951
2952 <listitem>
2953 <para>
2954 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2955 </para>
2956 <programlisting>
2957    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2958 </programlisting>
2959 <para>
2960 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2961 GHC will print the specified message.
2962 </para>
2963 </listitem>
2964 </itemizedlist>
2965 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2966
2967 </sect2>
2968
2969 </sect1>
2970
2971 <sect1 id="rewrite-rules">
2972 <title>Rewrite rules
2973
2974 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2975 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2976 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2977
2978 <para>
2979 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2980 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2981 </para>
2982
2983 <para>
2984 Here is an example:
2985
2986 <programlisting>
2987   {-# RULES
2988         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2989   #-}
2990 </programlisting>
2991
2992 </para>
2993
2994 <sect2>
2995 <title>Syntax</title>
2996
2997 <para>
2998 From a syntactic point of view:
2999
3000 <itemizedlist>
3001 <listitem>
3002
3003 <para>
3004  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3005 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3006 </para>
3007 </listitem>
3008 <listitem>
3009
3010 <para>
3011  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3012 </para>
3013 </listitem>
3014 <listitem>
3015
3016 <para>
3017  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3018 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3019 enclosing definitions.
3020 </para>
3021 </listitem>
3022 <listitem>
3023
3024 <para>
3025  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3026 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3027 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3028 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3029 </para>
3030 </listitem>
3031 <listitem>
3032
3033 <para>
3034  A pattern variable may optionally have a type signature.
3035 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3036 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3037
3038 <programlisting>
3039 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3040               foldr k z (build g) = g k z
3041 </programlisting>
3042
3043 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3044
3045 </para>
3046 </listitem>
3047 <listitem>
3048
3049 <para>
3050 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3051 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3052
3053 <programlisting>
3054 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3055 "wrong2"   forall f.      f True = True
3056 </programlisting>
3057
3058 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3059 in the head.
3060 </para>
3061 </listitem>
3062 <listitem>
3063
3064 <para>
3065  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3066 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3067 </para>
3068 </listitem>
3069 <listitem>
3070
3071 <para>
3072  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3073 </para>
3074 </listitem>
3075
3076 </itemizedlist>
3077
3078 </para>
3079
3080 </sect2>
3081
3082 <sect2>
3083 <title>Semantics</title>
3084
3085 <para>
3086 From a semantic point of view:
3087
3088 <itemizedlist>
3089 <listitem>
3090
3091 <para>
3092 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3093 </para>
3094 </listitem>
3095
3096 <listitem>
3097 <para>
3098  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3099 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3100 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3101 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3102 expression by substituting for the pattern variables.
3103
3104 </para>
3105 </listitem>
3106 <listitem>
3107
3108 <para>
3109  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3110 same type.
3111
3112 </para>
3113 </listitem>
3114 <listitem>
3115
3116 <para>
3117  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3118 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3119 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3120
3121 </para>
3122 </listitem>
3123 <listitem>
3124
3125 <para>
3126  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3127 terminating.  For example:
3128
3129 <programlisting>
3130   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3131 </programlisting>
3132
3133 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3134
3135 </para>
3136 </listitem>
3137 <listitem>
3138
3139 <para>
3140  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3141
3142 </para>
3143 </listitem>
3144 <listitem>
3145 <para>
3146  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3147 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3148 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3149 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3150 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3151 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3152 </para>
3153
3154 <para>
3155 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3156 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3157 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3158 </para>
3159 </listitem>
3160 <listitem>
3161
3162 <para>
3163  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3164 For example, consider:
3165
3166 <programlisting>
3167   let s = map f
3168       t = map g
3169   in
3170   s (t xs)
3171 </programlisting>
3172
3173 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3174 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3175 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3176 not be substituted, and the rule would not fire.
3177
3178 </para>
3179 </listitem>
3180 <listitem>
3181
3182 <para>
3183  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3184 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3185 for something you can't match against it (given the simple minded
3186 matching).  So if you write the rule
3187
3188 <programlisting>
3189         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3190 </programlisting>
3191
3192 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3193 It will only match something written with explicit use of ".".
3194 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3195
3196 <programlisting>
3197 wibble f g xs
3198 </programlisting>
3199
3200 where <function>wibble</function> is defined:
3201
3202 <programlisting>
3203 wibble f g = map f . map g
3204 </programlisting>
3205
3206 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3207
3208 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3209 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3210 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3211
3212 </para>
3213 </listitem>
3214 <listitem>
3215
3216 <para>
3217  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3218 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3219 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3220 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3221 declarations.
3222 </para>
3223 </listitem>
3224
3225 </itemizedlist>
3226
3227 </para>
3228
3229 </sect2>
3230
3231 <sect2>
3232 <title>List fusion</title>
3233
3234 <para>
3235 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3236 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3237 intermediate list should be eliminated entirely.
3238 </para>
3239
3240 <para>
3241 The following are good producers:
3242
3243 <itemizedlist>
3244 <listitem>
3245
3246 <para>
3247  List comprehensions
3248 </para>
3249 </listitem>
3250 <listitem>
3251
3252 <para>
3253  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3254 </para>
3255 </listitem>
3256 <listitem>
3257
3258 <para>
3259  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3260 </para>
3261 </listitem>
3262 <listitem>
3263
3264 <para>
3265  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3266 </para>
3267 </listitem>
3268 <listitem>
3269
3270 <para>
3271  <function>++</function>
3272 </para>
3273 </listitem>
3274
3275 <listitem>
3276 <para>
3277  <function>map</function>
3278 </para>
3279 </listitem>
3280
3281 <listitem>
3282 <para>
3283  <function>filter</function>
3284 </para>
3285 </listitem>
3286 <listitem>
3287
3288 <para>
3289  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3290 </para>
3291 </listitem>
3292 <listitem>
3293
3294 <para>
3295  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3296 </para>
3297 </listitem>
3298
3299 </itemizedlist>
3300
3301 </para>
3302
3303 <para>
3304 The following are good consumers:
3305
3306 <itemizedlist>
3307 <listitem>
3308
3309 <para>
3310  List comprehensions
3311 </para>
3312 </listitem>
3313 <listitem>
3314
3315 <para>
3316  <function>array</function> (on its second argument)
3317 </para>
3318 </listitem>
3319 <listitem>
3320
3321 <para>
3322  <function>length</function>
3323 </para>
3324 </listitem>
3325 <listitem>
3326
3327 <para>
3328  <function>++</function> (on its first argument)
3329 </para>
3330 </listitem>
3331
3332 <listitem>
3333 <para>
3334  <function>foldr</function>
3335 </para>
3336 </listitem>
3337
3338 <listitem>
3339 <para>
3340  <function>map</function>
3341 </para>
3342 </listitem>
3343 <listitem>
3344
3345 <para>
3346  <function>filter</function>
3347 </para>
3348 </listitem>
3349 <listitem>
3350
3351 <para>
3352  <function>concat</function>
3353 </para>
3354 </listitem>
3355 <listitem>
3356
3357 <para>
3358  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3359 </para>
3360 </listitem>
3361 <listitem>
3362
3363 <para>
3364  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3365 will fuse with one but not the other)
3366 </para>
3367 </listitem>
3368 <listitem>
3369
3370 <para>
3371  <function>partition</function>
3372 </para>
3373 </listitem>
3374 <listitem>
3375
3376 <para>
3377  <function>head</function>
3378 </para>
3379 </listitem>
3380 <listitem>
3381
3382 <para>
3383  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3384 </para>
3385 </listitem>
3386 <listitem>
3387
3388 <para>
3389  <function>sequence&lowbar;</function>
3390 </para>
3391 </listitem>
3392 <listitem>
3393
3394 <para>
3395  <function>msum</function>
3396 </para>
3397 </listitem>
3398 <listitem>
3399
3400 <para>
3401  <function>sortBy</function>
3402 </para>
3403 </listitem>
3404
3405 </itemizedlist>
3406
3407 </para>
3408
3409 <para>
3410 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3411
3412 <programlisting>
3413 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3414 </programlisting>
3415
3416 </para>
3417
3418 <para>
3419 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3420 a lot which are not included, please tell us.
3421 </para>
3422
3423 <para>
3424 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3425 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3426 </para>
3427
3428 </sect2>
3429
3430 <sect2 id="rule-spec">
3431 <title>Specialisation
3432 </title>
3433
3434 <para>
3435 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3436 present in earlier version of GHC:
3437
3438 <programlisting>
3439   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3440 </programlisting>
3441
3442 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3443 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3444 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3445 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3446 </para>
3447
3448 <para>
3449 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3450 same thing:
3451
3452 <programlisting>
3453 {-# RULES
3454   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3455 #-}
3456 </programlisting>
3457
3458 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3459 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3460 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3461
3462 <programlisting>
3463 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3464         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3465 </programlisting>
3466
3467 What is more,
3468 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3469 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3470 have an original definition available to specialise).
3471 </para>
3472
3473 </sect2>
3474
3475 <sect2>
3476 <title>Controlling what's going on</title>
3477
3478 <para>
3479
3480 <itemizedlist>
3481 <listitem>
3482
3483 <para>
3484  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3485 </para>
3486 </listitem>
3487 <listitem>
3488
3489 <para>
3490  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3491 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3492 </para>
3493 </listitem>
3494 <listitem>
3495
3496 <para>
3497  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3498
3499 <programlisting>
3500         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3501         {-# INLINE build #-}
3502         build g = g (:) []
3503 </programlisting>
3504
3505 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3506 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3507 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3508 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3509
3510 </para>
3511 </listitem>
3512 <listitem>
3513
3514 <para>
3515  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3516 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3517 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3518 </para>
3519 </listitem>
3520
3521 </itemizedlist>
3522
3523 </para>
3524
3525 </sect2>
3526
3527 </sect1>
3528
3529 <sect1 id="generic-classes">
3530 <title>Generic classes</title>
3531
3532     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3533     GHC 5.02).</para>
3534
3535 <para>
3536 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3537 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3538 An example will give the idea:
3539 </para>
3540
3541 <programlisting>
3542   import Generics
3543
3544   class Bin a where
3545     toBin   :: a -> [Int]
3546     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3547   
3548     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3549     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3550     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3551     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3552   
3553     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3554     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3555     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3556     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3557                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3558 </programlisting>
3559 <para>
3560 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3561 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3562 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3563 </para>
3564 <programlisting>
3565   data Unit    = Unit
3566   data a :+: b = Inl a | Inr b
3567   data a :*: b = a :*: b
3568 </programlisting>
3569 <para>
3570 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3571 <programlisting>
3572   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3573   instance Bin a => Bin [a]
3574 </programlisting>
3575 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3576 where clause and over-ride whichever methods you please.
3577 </para>
3578
3579     <sect2>
3580       <title> Using generics </title>
3581       <para>To use generics you need to</para>
3582       <itemizedlist>
3583         <listitem>
3584           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3585                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3586                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3587                 available.  </para>
3588         </listitem>
3589         <listitem>
3590           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3591           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3592           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3593           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3594           don't need this import if you don't mention these types
3595           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3596           declarations.)</para>
3597         </listitem>
3598       </itemizedlist>
3599     </sect2>
3600
3601 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3602 <para>
3603 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3604 can be written infix (indeed, you can now use
3605 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3606 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3607 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3608 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3609 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3610 anticipate wanting).
3611 </para>
3612 </sect2>
3613
3614 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3615 <para>
3616 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3617 is one that is defined using type patterns as above.
3618 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3619 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3620 generic default method.
3621 </para>
3622
3623 <para>
3624 Restrictions:
3625 <itemizedlist>
3626 <listitem>
3627 <para>
3628 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3629 field labels.
3630 </para>
3631 </listitem>
3632
3633 <listitem>
3634 <para>
3635 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3636 multi-parameter class.
3637 </para>
3638 </listitem>
3639
3640 <listitem>
3641 <para>
3642 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3643 without.  So this is illegal:
3644 <programlisting>
3645   class Foo a where
3646     op :: a -> (a, Bool)
3647     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3648     op x               = (x,    False)
3649 </programlisting>
3650 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3651 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3652 </para>
3653 </listitem>
3654
3655 <listitem>
3656 <para>
3657 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3658 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:
3659 <programlisting>
3660   class Foo a where
3661     op :: a -> Bool
3662     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3663     ...
3664 </programlisting>
3665 </para>
3666 </listitem>
3667
3668 <listitem>
3669 <para>
3670 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3671 <programlisting>
3672        a :+: b
3673        a :*: b
3674        Unit
3675 </programlisting>
3676 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3677 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3678 must use the same type variables.  So this is illegal:
3679 <programlisting>
3680   class Foo a where
3681     op :: a -> Bool
3682     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3683     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3684 </programlisting>
3685 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3686 So this too is illegal:
3687 <programlisting>
3688   class Foo a where
3689     op1 :: a -> Bool
3690     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3691
3692     op2 :: a -> Bool
3693     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3694 </programlisting>
3695 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3696 into a single generic instance declaration.)
3697 </para>
3698 </listitem>
3699
3700 <listitem>
3701 <para>
3702 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3703 </para>
3704 </listitem>
3705
3706 <listitem>
3707 <para>
3708 The type for a generic method can be built only from:
3709   <itemizedlist>
3710   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3711   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3712   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3713   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3714   </itemizedlist>
3715 Here are some example type signatures for generic methods:
3716 <programlisting>
3717     op1 :: a -> Bool
3718     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3719     op3 :: [Int] -> a -> a
3720     op4 :: [a] -> Bool
3721 </programlisting>
3722 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3723 inside a list.  
3724 </para>
3725 <para>
3726 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3727 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3728 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3729 to the ones that are allowed.</para>
3730 </listitem>
3731
3732 <listitem>
3733 <para>
3734 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3735 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3736 do so if
3737   <itemizedlist>
3738   <listitem>
3739   <para>
3740   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3741   </para>
3742   </listitem>
3743   <listitem>
3744   <para>
3745   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3746   </para>
3747   </listitem>
3748   </itemizedlist>
3749 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3750 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3751 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3752 </para>
3753 </listitem>
3754
3755 </itemizedlist>
3756 </para>
3757
3758 <para>
3759 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3760 what the compiler does with generic declarations.
3761 </para>
3762
3763 </sect2>
3764
3765 <sect2> <title> Another example </title>
3766 <para>
3767 Just to finish with, here's another example I rather like:
3768 <programlisting>
3769   class Tag a where
3770     nCons :: a -> Int
3771     nCons {| Unit |}    _ = 1
3772     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3773     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3774   
3775     tag :: a -> Int
3776     tag {| Unit |}    _       = 1
3777     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3778     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3779     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3780 </programlisting>
3781 </para>
3782 </sect2>
3783 </sect1>
3784
3785 <sect1 id="newtype-deriving">
3786 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3787
3788 <para>
3789 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3790 the new type to inherit some instances from its representation. In
3791 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3792 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3793 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3794 example, if you define
3795
3796 <programlisting> 
3797   newtype Dollars = Dollars Int 
3798 </programlisting> 
3799
3800 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3801 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3802
3803 <programlisting> 
3804   instance Num Dollars where
3805     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3806     ...
3807 </programlisting>
3808 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3809 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3810 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3811 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3812 dictionary, only slower!
3813 </para>
3814
3815 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3816 <para>
3817 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3818 <programlisting> 
3819   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3820 </programlisting> 
3821
3822 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3823 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3824 derives an instance declaration of the form
3825
3826 <programlisting> 
3827   instance Num Int => Num Dollars
3828 </programlisting> 
3829
3830 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3831 </para>
3832 <para>
3833
3834 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3835 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3836 transformers, such that
3837
3838 <programlisting> 
3839   instance Monad m => Monad (State s m) 
3840   instance Monad m => Monad (Failure m)
3841 </programlisting> 
3842 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3843 <programlisting> 
3844   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3845 </programlisting> 
3846
3847 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3848 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3849 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3850
3851 <programlisting> 
3852   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3853                          deriving Monad
3854 </programlisting>
3855 In this case the derived instance declaration is of the form 
3856 <programlisting> 
3857   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3858 </programlisting> 
3859
3860 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3861 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3862 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3863 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3864 declaration.
3865 </para>
3866 <para>
3867
3868 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3869 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3870 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3871 clause. For example, given the class
3872
3873 <programlisting> 
3874   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3875   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3876 </programlisting> 
3877 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3878 <programlisting> 
3879   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3880                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3881 </programlisting>
3882
3883 The derived instance is obtained by completing the application of the
3884 class to the new type:
3885
3886 <programlisting> 
3887   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3888            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3889 </programlisting>
3890 </para>
3891 <para>
3892
3893 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3894 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3895 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3896 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3897 the newtype and its representation.
3898 </para>
3899 </sect2>
3900
3901 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3902 <para>
3903 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3904 declaration (after expansion of any type synonyms)
3905
3906 <programlisting> 
3907   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3908 </programlisting> 
3909
3910 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3911 types,
3912 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3913 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3914 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3915 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3916
3917 <programlisting> 
3918   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3919 </programlisting>
3920 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3921 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3922 </para>
3923 <para>
3924
3925 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3926 <programlisting> 
3927   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3928 </programlisting> 
3929 Here we cannot derive the instance 
3930 <programlisting> 
3931   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3932 </programlisting> 
3933
3934 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3935 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3936 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3937 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3938 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3939 </para>
3940 <para>
3941
3942 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3943 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3944 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3945
3946 <programlisting> 
3947   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3948 </programlisting>
3949
3950 then we would not have been able to derive an instance for the
3951 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3952 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3953 instances is most interesting.
3954 </para>
3955 </sect2>
3956 </sect1>
3957
3958
3959
3960 <!-- Emacs stuff:
3961      ;;; Local Variables: ***
3962      ;;; mode: sgml ***
3963      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3964      ;;; End: ***
3965  -->