[project @ 2004-02-25 13:57:38 by simonmar]
[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.  They are all enabled by options; by default GHC
6 understands only plain Haskell 98.
7 </para>
8
9 <para>
10 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
11 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
12 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
14 on performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
16 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
17 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
18 </para>
19
20 <para>
21 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
22 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
23 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
24 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
25 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
26 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
27 </para>
28
29 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
30   <sect1 id="options-language">
31     <title>Language options</title>
32
33     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
36     </indexterm>
37     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
38     </indexterm>
39
40     <para>These flags control what variation of the language are
41     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
42     98.</para>
43
44     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
45     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
46     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
47     become a reserved word.  So, together with each option below, we
48     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
49     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
50     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
51     syntax:</para>
52
53     <itemizedlist>
54       <listitem>
55         <para>New reserved words and symbols: character sequences
56         which are no longer available for use as identifiers in the
57         program.</para>
58       </listitem>
59       <listitem>
60         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
61         a different meaning when this particular option is turned
62         on.</para>
63       </listitem>
64     </itemizedlist>
65
66     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
67     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
68     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
69     cases programs written to use the new syntax would not be
70     compilable without the option enabled.</para>
71
72     <variablelist>
73
74       <varlistentry>
75         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
76         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
77         <listitem>
78           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
79           Haskell 98 described in <xref
80           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
81           noted. </para>
82
83           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
84           types), <literal>mdo</literal>.</para>
85
86           <para>Other syntax stolen:
87               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
88               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
89               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
90               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
91               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
92               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
93               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
94               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
95         </listitem>
96       </varlistentry>
97
98       <varlistentry>
99         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
100         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
101         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
102         <listitem>
103           <para>This option enables the language extension defined in the
104           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
105           syntax of previous versions of the FFI for backwards
106           compatibility.</para> 
107
108           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
114         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
117           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
118           flag. </para>
119         </listitem>
120       </varlistentry>
121
122       <varlistentry>
123         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
124         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
125         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
126         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
127         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
128         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
129         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
130         <listitem>
131           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
132           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
133         </listitem>
134       </varlistentry>
135
136       <varlistentry>
137         <term><option>-finline-phase</option></term>
138         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
139         <listitem>
140           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
141           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
142         </listitem>
143       </varlistentry>
144
145       <varlistentry>
146         <term><option>-farrows</option></term>
147         <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
148         <listitem>
149           <para>See <xref LinkEnd="arrow-notation">.  Independent of
150           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
151
152           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
153           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
154           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
155           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
156
157           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
158           <literal>|)</literal>.</para>
159         </listitem>
160       </varlistentry>
161
162       <varlistentry>
163         <term><option>-fgenerics</option></term>
164         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
165         <listitem>
166           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
167           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
168         </listitem>
169       </varlistentry>
170
171       <varlistentry>
172         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
173         <listitem>
174           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
175           option</primary></indexterm> GHC normally imports
176           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
177           rather it didn't, then give it a
178           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
179           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
180           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
181           namespace is flat, and you must not conflict with any
182           Prelude module.)</para>
183
184           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
185           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
186           Prelude types and values, as specified by the Haskell
187           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
188           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
189           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
190           translation for list comprehensions continues to use
191           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
192
193           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
194           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
195           LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
196         </listitem>
197       </varlistentry>
198
199       <varlistentry>
200         <term><option>-fth</option></term>
201         <listitem>
202           <para>Enables Template Haskell (see <xref
203           linkend="template-haskell">).  Currently also implied by
204           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
205
206           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
207           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
208           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
209           <literal>$(</literal>,
210           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
211         </listitem>
212       </varlistentry>
213
214       <varlistentry>
215         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
216         <listitem>
217           <para>Enables implicit parameters (see <xref
218           linkend="implicit-parameters">).  Currently also implied by 
219           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
220
221           <para>Syntax stolen:
222           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
223           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
224         </listitem>
225       </varlistentry>
226
227     </variablelist>
228   </sect1>
229
230 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
231 <!--    included from primitives.sgml  -->
232 <!-- &primitives; -->
233 <sect1 id="primitives">
234   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
235
236 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
237 While you really can use this stuff to write fast code,
238   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
239   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
240   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
241   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
242   about it.</para>
243
244 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
245 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
246 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
247 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
248
249 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
250 work over those types, is held in the file
251 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
252 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
253 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
254
255 <para> Indeed,
256 the result of such processing is part of the description of the 
257  <ulink
258       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
259          Core language</ulink>.
260 So that document is a good place to look for a type-set version.
261 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
262 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
263 we could include the results here in the User Guide.</para>
264
265 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
266   
267 <sect2 id="glasgow-unboxed">
268 <title>Unboxed types
269 </title>
270
271 <para>
272 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
273 </para>
274
275 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
276 that values of that type are represented by a pointer to a heap
277 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
278 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
279 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
280 allocation are involved.
281 </para>
282
283 <para>
284 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
285 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
286 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
287 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
288 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
289 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
290 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
291 know and love&mdash;usually one instruction.
292 </para>
293
294 <para>
295 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
296 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
297 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
298 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
299 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
300 </para>
301
302 <para>
303 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
304 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
305 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
306 a primitive value might be represented by a pointer to a
307 heap-allocated object.  Examples include
308 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
309 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
310 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
311 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
312 represents a primitive value, then it really does point to that value:
313 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
314 other end of the pointer than the primitive value.
315 </para>
316
317 <para>
318 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
319 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
320 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
321 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
322 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
323 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
324 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
325 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
326 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
327 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
328 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
329 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
330 </para>
331
332 <para>
333 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
334 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
335 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
336 </para>
337
338 </sect2>
339
340 <sect2 id="unboxed-tuples">
341 <title>Unboxed Tuples
342 </title>
343
344 <para>
345 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
346 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
347 unboxed tuple looks like this:
348 </para>
349
350 <para>
351
352 <programlisting>
353 (# e_1, ..., e_n #)
354 </programlisting>
355
356 </para>
357
358 <para>
359 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
360 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
361 the same.
362 </para>
363
364 <para>
365 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
366 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
367 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
368 components are put directly into registers or on the stack; the
369 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
370 of the primitive operations listed in this section return unboxed
371 tuples.
372 </para>
373
374 <para>
375 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
376 </para>
377
378 <para>
379
380 <itemizedlist>
381 <listitem>
382
383 <para>
384  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
385 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
386 structures or passed to polymorphic functions.
387
388 </para>
389 </listitem>
390 <listitem>
391
392 <para>
393  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
394 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
395 eg. the following are valid:
396
397
398 <programlisting>
399 f x y = (# x+1, y-1 #)
400 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
401 </programlisting>
402
403
404 but the following are invalid:
405
406
407 <programlisting>
408 f x y = g (# x, y #)
409 g (# x, y #) = x + y
410 </programlisting>
411
412
413 </para>
414 </listitem>
415 <listitem>
416
417 <para>
418  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
419
420
421 <programlisting>
422 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
423 f x = x
424 </programlisting>
425
426
427 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
428
429 </para>
430 </listitem>
431
432 </itemizedlist>
433
434 </para>
435
436 <para>
437 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
438 </para>
439
440 <para>
441 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
442 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
443 </para>
444
445 </sect2>
446 </sect1>
447
448
449 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
450
451 <sect1 id="syntax-extns">
452 <title>Syntactic extensions</title>
453  
454     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
455
456     <sect2 id="hierarchical-modules">
457       <title>Hierarchical Modules</title>
458
459       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
460       names: a module name is allowed to contain a dot
461       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
462       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
463       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
464       more flexible hierarchy of modules.</para>
465
466       <para>This extension has very little impact on the language
467       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
468       qualified, so you can just think of the fully qualified module
469       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
470       means that the full module name must be given after the
471       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
472       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
473       begin</para>
474
475 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
476
477
478       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
479       keyword to save some typing when using qualified names with
480       hierarchical modules.  For example:</para>
481
482 <programlisting>
483 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
484 </programlisting>
485
486       <para>For details on how GHC searches for source and interface
487       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
488       linkend="search-path">.</para>
489
490       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
491       hierarchically; see the accompanying library documentation.
492       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
493       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
494       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
495       current status of that project.  For more details, see <ulink
496       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
497       Libraries</ulink>.</para>
498
499     </sect2>
500
501     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
502
503 <sect2 id="pattern-guards">
504 <title>Pattern guards</title>
505
506 <para>
507 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
508 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.)
509 </para>
510
511 <para>
512 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
513 lookup operation:
514
515 <programlisting>
516 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
517 </programlisting>
518
519 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
520 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
521 </para>
522
523 <programlisting>
524 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
525 | otherwise  = var1 + var2
526 where
527   m1 = lookup env var1
528   m2 = lookup env var2
529   ok1 = maybeToBool m1
530   ok2 = maybeToBool m2
531   val1 = expectJust m1
532   val2 = expectJust m2
533 </programlisting>
534
535 <para>
536 The auxiliary functions are 
537 </para>
538
539 <programlisting>
540 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
541 maybeToBool (Just x) = True
542 maybeToBool Nothing  = False
543
544 expectJust :: Maybe a -&gt; a
545 expectJust (Just x) = x
546 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
547 </programlisting>
548
549 <para>
550 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
551 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
552 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
553 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
554 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
555 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
556 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
557 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
558 </para>
559
560 <para>
561 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
562 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
563 to write clunky would be to use case expressions:
564 </para>
565
566 <programlisting>
567 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
568   Nothing -&gt; fail
569   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
570     Nothing -&gt; fail
571     Just val2 -&gt; val1 + val2
572 where
573   fail = val1 + val2
574 </programlisting>
575
576 <para>
577 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
578 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
579 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
580 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
581 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
582 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
583 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
584 tends to become more and more indented. 
585 </para>
586
587 <para>
588 Here is how I would write clunky:
589 </para>
590
591 <programlisting>
592 clunky env var1 var1
593   | Just val1 &lt;- lookup env var1
594   , Just val2 &lt;- lookup env var2
595   = val1 + val2
596 ...other equations for clunky...
597 </programlisting>
598
599 <para>
600 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
601 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
602 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
603 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
604 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
605 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
606 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
607 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
608 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
609 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
610 </para>
611
612 <para>
613 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
614 with among the pattern guards.  For example:
615 </para>
616
617 <programlisting>
618 f x | [y] <- x
619     , y > 3
620     , Just z <- h y
621     = ...
622 </programlisting>
623
624 <para>
625 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
626 qualifier list has just one element, a boolean expression.
627 </para>
628 </sect2>
629
630     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
631
632 <sect2 id="mdo-notation">
633 <title>The recursive do-notation
634 </title>
635
636 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
637 "A recursive do for Haskell",
638 Levent Erkok, John Launchbury",
639 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
640 </para>
641 <para>
642 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
643 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
644 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
645 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
646 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
647 </para>
648 <para>
649 Here is a simple (yet contrived) example:
650 </para>
651 <programlisting>
652 import Control.Monad.Fix
653
654 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
655                return xs
656 </programlisting>
657 <para>
658 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
659 </para>
660
661 <para>
662 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
663 </para>
664 <programlisting>
665 class Monad m => MonadFix m where
666    mfix :: (a -> m a) -> m a
667 </programlisting>
668 <para>
669 The function <literal>mfix</literal>
670 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
671 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
672 For details, see the above mentioned reference.
673 </para>
674 <para>
675 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
676 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
677 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
678 </para>
679 <para>
680 There are three important points in using the recursive-do notation:
681 <itemizedlist>
682 <listitem><para>
683 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
684 than <literal>do</literal>).
685 </para></listitem>
686
687 <listitem><para>
688 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
689 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
690 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
691 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
692 </para></listitem>
693
694 <listitem><para>
695 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
696 </para></listitem>
697 </itemizedlist>
698 </para>
699
700 <para>
701 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
702 contains up to date information on recursive monadic bindings.
703 </para>
704
705 <para>
706 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
707 of the existing documents) used the name
708 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
709 This name is not supported by GHC.
710 </para>
711
712 </sect2>
713
714
715    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
716
717   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
718     <title>Parallel List Comprehensions</title>
719     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
720     </indexterm>
721     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
722     </indexterm>
723
724     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
725     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
726     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
727     extend this to include the zipWith family.</para>
728
729     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
730     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
731     example, the following zips together two lists:</para>
732
733 <programlisting>
734    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
735 </programlisting>
736
737     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
738     zip, in that the resulting list will have the same length as the
739     shortest branch.</para>
740
741     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
742     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
743
744     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
745
746 <programlisting>
747    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
748        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
749        ... 
750    ] 
751 </programlisting>
752
753     <para>This will be translated to: </para>
754
755 <programlisting>
756    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
757                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
758                                          ... 
759    ] 
760 </programlisting>
761
762     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
763     branches.</para>
764
765   </sect2>
766
767 <sect2 id="rebindable-syntax">
768 <title>Rebindable syntax</title>
769
770
771       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
772       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
773       with a home-grown version, for example.</para>
774
775             <para>You may want to define your own numeric class
776             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
777             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
778             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
779             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
780             the following pieces of built-in syntax to refer to
781             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
782             versions:</para>
783
784             <itemizedlist>
785               <listitem>
786                 <para>Integer and fractional literals mean
787                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
788                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
789                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
790                 patterns. </para>
791                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
792                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
793               </listitem>
794
795               <listitem>
796                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
797                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
798                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
799               </listitem>
800
801               <listitem>
802                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
803                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
804                 but the necessary subtraction uses whatever
805                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
806                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
807               </listitem>
808
809               <listitem>
810           <para>"Do" notation is translated using whatever
811               functions <literal>(>>=)</literal>,
812               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
813               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
814               versions).  List comprehensions, and parallel array
815               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
816             </itemizedlist>
817
818              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
819              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
820              must have the appropriate types, namely:
821              <screen>
822                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
823                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
824                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
825                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
826                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
827                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
828                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
829                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
830              </screen>
831              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
832              is up to you.)
833              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
834              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
835              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
836
837 </sect2>
838 </sect1>
839
840
841 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
842 <sect1 id="type-extensions">
843 <title>Type system extensions</title>
844
845
846 <sect2>
847 <title>Data types and type synonyms</title>
848
849 <sect3 id="nullary-types">
850 <title>Data types with no constructors</title>
851
852 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
853 a data type with no constructors.  For example:</para>
854
855 <programlisting>
856   data S      -- S :: *
857   data T a    -- T :: * -> *
858 </programlisting>
859
860 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
861 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
862 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
863 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
864
865 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
866 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
867 </sect3>
868
869 <sect3 id="infix-tycons">
870 <title>Infix type constructors</title>
871
872 <para>
873 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
874 like expressions.  More specifically:
875 <itemizedlist>
876 <listitem><para>
877   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
878   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
879   </para></listitem>
880 <listitem><para>
881   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
882   </para></listitem>
883 <listitem><para>
884   Back-quotes work
885   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
886   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
887   </para></listitem>
888 <listitem><para>
889   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
890   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
891   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
892 <screen>
893   infixl 7 T, :*:
894 </screen>
895   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
896   and similarly for <literal>:*:</literal>.
897   <literal>Int `a` Bool</literal>.
898   </para></listitem>
899 <listitem><para>
900   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
901   </para></listitem>
902 <listitem><para>
903   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
904 <screen>
905   data a :*: b = Foo a b
906   type a :+: b = Either a b
907 </screen>
908   </para></listitem>
909 <listitem><para>
910   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
911   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
912   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
913   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
914   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
915   lists.  So for now we just exclude them.
916   </para></listitem>
917
918 </itemizedlist>
919 </para>
920 </sect3>
921
922 <sect3 id="type-synonyms">
923 <title>Liberalised type synonyms</title>
924
925 <para>
926 Type synonmys are like macros at the type level, and
927 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
928 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
929 <itemizedlist>
930 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
931 in a type synonym, thus:
932 <programlisting>
933   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
934
935   f :: Discard a
936   f x y = (x, show y)
937
938   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
939   g f = f Int True
940 </programlisting>
941 </para>
942 </listitem>
943
944 <listitem><para>
945 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
946 <programlisting>
947   type Pr = (# Int, Int #)
948
949   h :: Int -> Pr
950   h x = (# x, x #)
951 </programlisting>
952 </para></listitem>
953
954 <listitem><para>
955 You can apply a type synonym to a forall type:
956 <programlisting>
957   type Foo a = a -> a -> Bool
958  
959   f :: Foo (forall b. b->b)
960 </programlisting>
961 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
962 <programlisting>
963   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
964 </programlisting>
965 </para></listitem>
966
967 <listitem><para>
968 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
969 <programlisting>
970   type Generic i o = forall x. i x -> o x
971   type Id x = x
972   
973   foo :: Generic Id []
974 </programlisting>
975 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
976 <programlisting>
977   foo :: forall x. x -> [x]
978 </programlisting>
979 </para></listitem>
980
981 </itemizedlist>
982 </para>
983
984 <para>
985 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
986 could be changed.)
987 </para>
988 <para>
989 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
990 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
991 <itemizedlist>
992 <listitem><para>
993 Type constructor applied to a type involving for-alls.
994 </para></listitem>
995 <listitem><para>
996 Unboxed tuple on left of an arrow.
997 </para></listitem>
998 <listitem><para>
999 Partially-applied type synonym.
1000 </para></listitem>
1001 </itemizedlist>
1002 So, for example,
1003 this will be rejected:
1004 <programlisting>
1005   type Pr = (# Int, Int #)
1006
1007   h :: Pr -> Int
1008   h x = ...
1009 </programlisting>
1010 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1011 </para>
1012 </sect3>
1013
1014
1015 <sect3 id="existential-quantification">
1016 <title>Existentially quantified data constructors
1017 </title>
1018
1019 <para>
1020 The idea of using existential quantification in data type declarations
1021 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1022 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1023 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1024 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1025 </para>
1026
1027 <para>
1028
1029 <programlisting>
1030   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1031            | Nil
1032 </programlisting>
1033
1034 </para>
1035
1036 <para>
1037 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1038 </para>
1039
1040 <para>
1041
1042 <programlisting>
1043   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1044   Nil   :: Foo
1045 </programlisting>
1046
1047 </para>
1048
1049 <para>
1050 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1051 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1052 For example, the following expression is fine:
1053 </para>
1054
1055 <para>
1056
1057 <programlisting>
1058   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1059 </programlisting>
1060
1061 </para>
1062
1063 <para>
1064 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1065 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1066 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1067 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1072 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1073 </para>
1074
1075 <para>
1076
1077 <programlisting>
1078   f (MkFoo val fn) = ???
1079 </programlisting>
1080
1081 </para>
1082
1083 <para>
1084 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1085 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1086 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1087 </para>
1088
1089 <para>
1090
1091 <programlisting>
1092   f :: Foo -> Bool
1093   f (MkFoo val fn) = fn val
1094 </programlisting>
1095
1096 </para>
1097
1098 <para>
1099 What this allows us to do is to package heterogenous values
1100 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1101 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1102 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1103 </para>
1104
1105 <sect4 id="existential">
1106 <title>Why existential?
1107 </title>
1108
1109 <para>
1110 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1111 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115
1116 <programlisting>
1117   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1118 </programlisting>
1119
1120 </para>
1121
1122 <para>
1123 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1124 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1125 adding a new existential quantification construct.
1126 </para>
1127
1128 </sect4>
1129
1130 <sect4>
1131 <title>Type classes</title>
1132
1133 <para>
1134 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1135 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1136 </para>
1137
1138 <para>
1139
1140 <programlisting>
1141 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1142          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1143 </programlisting>
1144
1145 </para>
1146
1147 <para>
1148 The two constructors have the types you'd expect:
1149 </para>
1150
1151 <para>
1152
1153 <programlisting>
1154 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1155 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1156 </programlisting>
1157
1158 </para>
1159
1160 <para>
1161 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1162 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1163 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1164 So this program is legal:
1165 </para>
1166
1167 <para>
1168
1169 <programlisting>
1170   f :: Baz -> String
1171   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1172                | otherwise = "No"
1173   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1174 </programlisting>
1175
1176 </para>
1177
1178 <para>
1179 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1180 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1181 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1182 extract it on pattern matching.
1183 </para>
1184
1185 <para>
1186 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1187 universal quantification earlier.
1188 </para>
1189
1190 </sect4>
1191
1192 <sect4>
1193 <title>Restrictions</title>
1194
1195 <para>
1196 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1197 constructors can be use.
1198 </para>
1199
1200 <para>
1201
1202 <itemizedlist>
1203 <listitem>
1204
1205 <para>
1206  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1207 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1208 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1209 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1210
1211
1212 <programlisting>
1213 f1 (MkFoo a f) = a
1214 </programlisting>
1215
1216
1217 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1218 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1219 ask what type <function>f1</function> has:
1220
1221
1222 <programlisting>
1223   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1224 </programlisting>
1225
1226
1227 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1228 this:
1229
1230
1231 <programlisting>
1232   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1233 </programlisting>
1234
1235
1236 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1237
1238
1239 <programlisting>
1240   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1241 </programlisting>
1242
1243
1244 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1245 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1246 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1247
1248
1249 </para>
1250 </listitem>
1251 <listitem>
1252
1253 <para>
1254 You can't pattern-match on an existentially quantified
1255 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1256 bindings. So this is illegal:
1257
1258
1259 <programlisting>
1260   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1261 </programlisting>
1262
1263 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1264
1265 <programlisting>
1266   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1267 </programlisting>
1268
1269 In general, you can only pattern-match
1270 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1271 in the patterns of a function definition.
1272
1273 The reason for this restriction is really an implementation one.
1274 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1275 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1276 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1277 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1278 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1279 annoying it is.
1280
1281 </para>
1282 </listitem>
1283 <listitem>
1284
1285 <para>
1286 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1287 declarations.  So this is illegal:
1288
1289
1290 <programlisting>
1291   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1292 </programlisting>
1293
1294
1295 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1296 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1297 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1298 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1299 You can get just the same efficiency and effect by using
1300 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1301 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1302 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1303 because the <literal>data</literal> version does carry an
1304 implementation cost, but single-field existentially quantified
1305 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1306 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1307 are convincing reasons to change it.
1308
1309
1310 </para>
1311 </listitem>
1312 <listitem>
1313
1314 <para>
1315  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1316 data type with existentially quantified data constructors.
1317
1318 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1319
1320 <programlisting>
1321 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1322 </programlisting>
1323
1324 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1325 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1326
1327 <programlisting>
1328 instance Eq T where
1329   (MkT a) == (MkT b) = ???
1330 </programlisting>
1331
1332 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1333 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1334 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1335 declarations.  Define your own instances!
1336 </para>
1337 </listitem>
1338
1339 </itemizedlist>
1340
1341 </para>
1342
1343 </sect4>
1344 </sect3>
1345
1346 </sect2>
1347
1348
1349
1350 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1351 <title>Class declarations</title>
1352
1353 <para>
1354 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1355 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
1356 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1357 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
1358 Jones, Erik Meijer).
1359 </para>
1360 <para>
1361 There are the following constraints on class declarations:
1362 <OrderedList>
1363 <listitem>
1364
1365 <para>
1366  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1367
1368
1369 <programlisting>
1370   class Collection c a where
1371     union :: c a -> c a -> c a
1372     ...etc.
1373 </programlisting>
1374
1375
1376
1377 </para>
1378 </listitem>
1379 <listitem>
1380
1381 <para>
1382  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1383 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1384 this is OK:
1385
1386
1387 <programlisting>
1388   class C a where {
1389     op :: D b => a -> b -> b
1390   }
1391
1392   class C a => D a where { ... }
1393 </programlisting>
1394
1395
1396 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1397 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1398 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1399
1400 </para>
1401 </listitem>
1402 <listitem>
1403
1404 <para>
1405  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1406 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1407 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1408
1409
1410 <programlisting>
1411   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1412     ...
1413
1414   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1415     lift :: m a -> (t m) a
1416 </programlisting>
1417
1418
1419 </para>
1420 </listitem>
1421
1422 <listitem>
1423
1424 <para>
1425  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1426 mentioned in <xref linkend="type-restrictions">)
1427 from the free varibles of each method type
1428 </emphasis>.  For example:
1429
1430
1431 <programlisting>
1432   class Coll s a where
1433     empty  :: s
1434     insert :: s -> a -> s
1435 </programlisting>
1436
1437
1438 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1439 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1440 types, and has the same motivation.
1441
1442 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1443 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1444
1445
1446 <programlisting>
1447   class Coll s a where
1448     empty  :: s a
1449     insert :: s a -> a -> s a
1450 </programlisting>
1451
1452
1453 which makes the connection between the type of a collection of
1454 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1455 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1456 class like this:
1457
1458
1459 <programlisting>
1460   class CollE s where
1461     empty  :: s
1462
1463   class CollE s => Coll s a where
1464     insert :: s -> a -> s
1465 </programlisting>
1466
1467
1468 </para>
1469 </listitem>
1470
1471 </OrderedList>
1472 </para>
1473
1474 <sect3 id="class-method-types">
1475 <title>Class method types</title>
1476 <para>
1477 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1478 class type variable, thus:
1479 <programlisting>
1480   class Seq s a where
1481     fromList :: [a] -> s a
1482     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1483 </programlisting>
1484 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1485 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1486 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1487 </para>
1488 <para>
1489 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1490 </para>
1491
1492 </sect3>
1493
1494 </sect2>
1495
1496 <sect2 id="type-restrictions">
1497 <title>Type signatures</title>
1498
1499 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1500 <para>
1501 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1502 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1503 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1504 these type signatures are perfectly OK
1505 <programlisting>
1506   g :: Eq [a] => ...
1507   g :: Ord (T a ()) => ...
1508 </programlisting>
1509 </para>
1510 <para>
1511 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1512 Consider the type:
1513
1514 <programlisting>
1515   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1516 </programlisting>
1517
1518 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1519 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1520 explicit source-language type signature are universally quantified,
1521 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1522 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
1523 </para>
1524
1525 <para>
1526
1527 <OrderedList>
1528 <listitem>
1529
1530 <para>
1531  <emphasis>Each universally quantified type variable
1532 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1533
1534 A type variable is "reachable" if it it is functionally dependent
1535 (see <xref linkend="functional-dependencies">)
1536 on the type variables free in <literal>type</literal>.
1537 The reason for this is that a value with a type that does not obey
1538 this restriction could not be used without introducing
1539 ambiguity. 
1540 Here, for example, is an illegal type:
1541
1542
1543 <programlisting>
1544   forall a. Eq a => Int
1545 </programlisting>
1546
1547
1548 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1549 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1550 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1551 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1552 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1553 get any more information about <literal>tv</literal>.
1554
1555 </para>
1556 </listitem>
1557 <listitem>
1558
1559 <para>
1560  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1561 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1562
1563 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1564 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1565
1566
1567 <programlisting>
1568   forall a. C a b => burble
1569 </programlisting>
1570
1571
1572 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1573 mention <literal>a</literal>:
1574
1575
1576 <programlisting>
1577   forall a. Eq b => burble
1578 </programlisting>
1579
1580
1581 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1582 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1583 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1584 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1585 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1586 territory free in case we need it later.
1587
1588 </para>
1589 </listitem>
1590
1591 </OrderedList>
1592
1593 </para>
1594 </sect3>
1595
1596 <sect3 id="hoist">
1597 <title>For-all hoisting</title>
1598 <para>
1599 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms">) at the right hand
1600 end of an arrow, thus:
1601 <programlisting>
1602   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1603
1604   g :: Int -> Discard Int
1605   g x y z = x+y
1606 </programlisting>
1607 Simply expanding the type synonym would give
1608 <programlisting>
1609   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1610 </programlisting>
1611 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1612 <programlisting>
1613   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1614 </programlisting>
1615 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1616 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1617 performs the transformation:</emphasis>
1618 <programlisting>
1619   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1620 ==>
1621   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1622 </programlisting>
1623 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1624 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1625 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1626 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1627 <programlisting>
1628   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1629 </programlisting>
1630 </para>
1631 <para>
1632 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1633 example:
1634 <programlisting>
1635   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1636   g :: Foo (Foo Int)
1637 </programlisting>
1638 means
1639 <programlisting>
1640   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1641 </programlisting>
1642 </para>
1643 </sect3>
1644
1645
1646 </sect2>
1647
1648 <sect2 id="instance-decls">
1649 <title>Instance declarations</title>
1650
1651 <sect3>
1652 <title>Overlapping instances</title>
1653 <para>
1654 In general, <emphasis>instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1655 declarations
1656
1657
1658 <programlisting>
1659   instance context1 => C type1 where ...
1660   instance context2 => C type2 where ...
1661 </programlisting>
1662
1663 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify.
1664 </para>
1665 <para>
1666 However, if you give the command line option
1667 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1668 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1669 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1670 if another instance declaration also applies, either now or later.
1671
1672 <itemizedlist>
1673 <listitem>
1674
1675 <para>
1676  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1677 </para>
1678 </listitem>
1679 <listitem>
1680
1681 <para>
1682  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1683 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1684 </para>
1685 </listitem>
1686 </itemizedlist>
1687 Notice that these rules
1688 <itemizedlist>
1689 <listitem>
1690
1691 <para>
1692  make it clear which instance decl to use
1693 (pick the most specific one that matches)
1694
1695 </para>
1696 </listitem>
1697 <listitem>
1698
1699 <para>
1700  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1701 Reason: you can pick which instance decl
1702 "matches" based on the type.
1703 </para>
1704 </listitem>
1705
1706 </itemizedlist>
1707 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1708 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1709 <programlisting>
1710   instance C (Int,a) where ...
1711   instance C (a,Bool) where ...
1712 </programlisting>
1713 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1714 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1715 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1716 </para>
1717 <para>
1718 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1719 <programlisting>
1720   class C a where { op :: a -> a }
1721   instance C [Int] where ...
1722   instance C a => C [a] where ...
1723   
1724   f :: C b => [b] -> [b]
1725   f x = op x
1726 </programlisting>
1727 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1728 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1729 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1730 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1731 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1732 the problem of subsequent instantiations.
1733 </para>
1734 <para>
1735 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1736 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1737 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1738 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1739 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1740 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1741 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1742 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1743 </para>
1744 </sect3>
1745
1746 <sect3>
1747 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1748
1749 <para>
1750 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1751 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1752 As always, using a type synonym is just shorthand for
1753 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1754
1755
1756 <programlisting>
1757   type Point = (Int,Int)
1758   instance C Point   where ...
1759   instance C [Point] where ...
1760 </programlisting>
1761
1762
1763 is legal.  However, if you added
1764
1765
1766 <programlisting>
1767   instance C (Int,Int) where ...
1768 </programlisting>
1769
1770
1771 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1772 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1773 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1774
1775
1776 <programlisting>
1777   type P a = [[a]]
1778   instance Monad P where ...
1779 </programlisting>
1780
1781
1782 This design decision is independent of all the others, and easily
1783 reversed, but it makes sense to me.
1784
1785 </para>
1786 </sect3>
1787
1788 <sect3 id="undecidable-instances">
1789 <title>Undecidable instances</title>
1790
1791 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1792 <orderedlist>
1793 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1794 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1795 For example, these are OK:
1796
1797 <programlisting>
1798   instance C Int a where ...
1799
1800   instance D (Int, Int) where ...
1801
1802   instance E [[a]] where ...
1803 </programlisting>
1804 but this is not:
1805 <programlisting>
1806   instance F a where ...
1807 </programlisting>
1808 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1809 For example, this is OK:
1810 <programlisting>
1811   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1812 </programlisting>
1813 </para>
1814 </listitem>
1815
1816
1817 <listitem>
1818 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1819 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1820 Thus
1821 <programlisting>
1822 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1823 </programlisting>
1824 is OK, but
1825 <programlisting>
1826 instance C Int b => Foo b where ...
1827 </programlisting>
1828 is not OK.
1829 </para>
1830 </listitem>
1831 </OrderedList>
1832 These restrictions ensure that 
1833 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1834 constructor.  For example, the following would make the type checker
1835 loop if it wasn't excluded:
1836 <programlisting>
1837   instance C a => C a where ...
1838 </programlisting>
1839 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1840 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1841 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1842 something more specific does not:
1843
1844
1845 <programlisting>
1846   instance C a where
1847     op = ... -- Default
1848 </programlisting>
1849
1850
1851 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1852 effect of a "class synonym":
1853
1854
1855 <programlisting>
1856   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1857
1858   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1859 </programlisting>
1860
1861
1862 This allows you to write shorter signatures:
1863
1864
1865 <programlisting>
1866   f :: C a => ...
1867 </programlisting>
1868
1869
1870 instead of
1871
1872
1873 <programlisting>
1874   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1875 </programlisting>
1876
1877
1878 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1879 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1880 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1881 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1882 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1883 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1884 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1885 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1886 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1887 </para>
1888 <para>
1889 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1890 allowing these idioms interesting idioms.  
1891 </para>
1892 </sect3>
1893
1894
1895 </sect2>
1896
1897 <sect2 id="implicit-parameters">
1898 <title>Implicit parameters</title>
1899
1900 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1901 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1902 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1903 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1904 Boston, Jan 2000.
1905 </para>
1906
1907 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1908 due to Jeff Lewis.)</para>
1909
1910 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1911 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1912
1913 <para>
1914 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1915 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1916 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1917 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1918 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1919 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1920 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1921 only support static scoping of variables.
1922 </para>
1923 <para>
1924 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1925 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1926 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1927 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1928 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1929 of type <literal>t'</literal>". For
1930 example, the following expresses the type of a sort function,
1931 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1932 <programlisting>
1933   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1934 </programlisting>
1935 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1936 </para>
1937 <para>
1938 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1939 where <literal>x</literal> is
1940 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1941 Use of this construct also introduces a new
1942 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1943 For example, the following definition
1944 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1945 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1946 <programlisting>
1947   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1948
1949   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1950   sort    = sortBy ?cmp
1951 </programlisting>
1952 </para>
1953
1954 <sect3>
1955 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1956 <para>
1957 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1958 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1959 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1960 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1961 to pick out the least value in a list:
1962 <programlisting>
1963   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1964   least xs = fst (sort xs)
1965 </programlisting>
1966 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1967 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1968 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1969 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1970 propagate them.
1971 </para>
1972 <para>
1973 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1974 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1975 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1976 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1977 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1978 class constraints.
1979 </para>
1980
1981 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1982 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1983 <programlisting>
1984   class (?x::Int) => C a where ...
1985   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1986 </programlisting>
1987 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1988 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1989 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1990 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1991 <para>
1992 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
1993 <programlisting>
1994    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
1995    f n = n + length ?x
1996
1997    g :: (Read a, Show a) => String -> String
1998    g s = show (read s)
1999 </programlisting>
2000 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2001 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2002 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2003 </para>
2004 </sect3>
2005
2006 <sect3>
2007 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2008
2009 <para>
2010 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2011 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2012 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2013 <literal>cmp</literal>.
2014 <programlisting>
2015   min :: [a] -> a
2016   min  = let ?cmp = (<=) in least
2017 </programlisting>
2018 </para>
2019 <para>
2020 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2021 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2022 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2023 or a <literal>where</literal> clause.
2024 Note the following points:
2025 <itemizedlist>
2026 <listitem><para>
2027 An implicit-parameter binding group must be a
2028 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2029 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2030 neither polymorphic or recursive.  
2031 </para></listitem>
2032 <listitem><para>
2033 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2034 single <literal>let</literal>
2035 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2036 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2037 </para></listitem>
2038
2039 <listitem><para>
2040 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2041 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2042 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2043 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2044 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2045 the meaning of the program.
2046 For example, consider:
2047 <programlisting>
2048   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2049 </programlisting>
2050 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2051 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2052 <programlisting>
2053   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2054 </programlisting>
2055 </para></listitem>
2056 </itemizedlist>
2057 </para>
2058
2059 </sect3>
2060 </sect2>
2061
2062 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2063 <title>Linear implicit parameters</title>
2064 <para>
2065 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2066 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2067 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2068 </para>
2069 <itemizedlist>
2070 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2071 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
2072 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2073 </itemizedlist>
2074
2075 <para>
2076 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2077 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2078 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2079 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2080 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2081 </para>
2082 <para>
2083 For example:
2084 <programlisting>
2085     import GHC.Exts( Splittable )
2086
2087     data NameSupply = ...
2088     
2089     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2090     newName :: NameSupply -> Name
2091
2092     instance Splittable NameSupply where
2093         split = splitNS
2094
2095
2096     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2097     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2098                     where
2099                       x'   = newName %ns
2100                       env' = extend env x x'
2101     ...more equations for f...
2102 </programlisting>
2103 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2104 <itemizedlist>
2105 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2106 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2107 </itemizedlist>
2108 </para>
2109 <para>
2110 So the translation done by the type checker makes
2111 the parameter explicit:
2112 <programlisting>
2113     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2114     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2115                        where
2116                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2117                          x' = newName ns2
2118                          env = extend env x x'
2119 </programlisting>
2120 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2121 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2122 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2123 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2124 <programlisting>
2125         class Splittable a where
2126           split :: a -> (a,a)
2127 </programlisting>
2128 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2129 split for name supplies.  But we can simply write
2130 <programlisting>
2131         g x = (x, %ns, %ns)
2132 </programlisting>
2133 and GHC will infer
2134 <programlisting>
2135         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2136 </programlisting>
2137 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2138 <literal>GHC.Exts</literal>.
2139 </para>
2140 <para>
2141 Other points:
2142 <itemizedlist>
2143 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2144 are entirely distinct implicit parameters: you 
2145   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2146 </listitem>
2147
2148 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2149
2150 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2151   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2152 </itemizedlist>
2153 </para>
2154
2155 <sect3><title>Warnings</title>
2156
2157 <para>
2158 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2159 Consider the example above:
2160 <programlisting>
2161     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2162     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2163                     where
2164                       x'   = newName %ns
2165                       env' = extend env x x'
2166 </programlisting>
2167 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2168 usually a harmless thing to do, we get:
2169 <programlisting>
2170     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2171     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2172                     where
2173                       env' = extend env x (newName %ns)
2174 </programlisting>
2175 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2176 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2177 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2178 the beta rule.
2179 </para>
2180 <para>
2181 Well, this is an experimental change.  With implicit
2182 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2183 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2184 Haskell programs without knowing their typing.
2185 </para>
2186
2187 </sect3>
2188
2189 <sect3><title>Recursive functions</title>
2190 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2191 Consider
2192 <programlisting>
2193         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2194         foo 0 = []
2195         foo n = %x : foo (n-1)
2196 </programlisting>
2197 where T is some type in class Splittable.</para>
2198 <para>
2199 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2200 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2201 </para><para>
2202 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2203 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2204 translated term, where the implicit param is made explicit:
2205 <programlisting>
2206         foo x 0 = []
2207         foo x n = let (x1,x2) = split x
2208                   in x1 : foo x2 (n-1)
2209 </programlisting>
2210 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2211 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2212 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2213 work.  So the translation becomes
2214 <programlisting>
2215         foo x = let
2216                   foom 0 = []
2217                   foom n = x : foom (n-1)
2218                 in
2219                 foom
2220 </programlisting>
2221 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2222 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2223 Yikes!
2224 </para><para>
2225 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2226 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2227 </para>
2228 </sect3>
2229
2230 </sect2>
2231
2232 <sect2 id="functional-dependencies">
2233 <title>Functional dependencies
2234 </title>
2235
2236 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2237 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2238 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2239 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2240 .
2241 </para>
2242 <para>
2243 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2244 class declaration;  e.g. 
2245 <programlisting>
2246   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2247
2248   class Foo a b c | a b -> c where ...
2249 </programlisting>
2250 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2251 </para>
2252 </sect2>
2253
2254
2255
2256 <sect2 id="sec-kinding">
2257 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2258
2259 <para>
2260 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2261 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2262 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2263 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2264 John Hughes had to define the data type:
2265 <Screen>
2266      data Set cxt a = Set [a]
2267                     | Unused (cxt a -> ())
2268 </Screen>
2269 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2270 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2271 </para>
2272 <para>
2273 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2274 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2275 <itemizedlist>
2276 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2277 <Screen>
2278   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2279 </Screen></para></listitem>
2280 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2281 <Screen>
2282   type T (f :: * -> *) = f Int
2283 </Screen></para></listitem>
2284 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2285 <Screen>
2286   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2287 </Screen></para></listitem>
2288 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2289 <Screen>
2290   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2291 </Screen></para></listitem>
2292 </itemizedlist>
2293 </para>
2294
2295 <para>
2296 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2297 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2298 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2299 single lexeme in Haskell.
2300 </para>
2301
2302 <para>
2303 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2304 as well.  Thus:
2305 <Screen>
2306    f :: (Int :: *) -> Int
2307    g :: forall a. a -> (a :: *)
2308 </Screen>
2309 The syntax is
2310 <Screen>
2311    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2312 </Screen>
2313 The parentheses are required.
2314 </para>
2315 </sect2>
2316
2317
2318 <sect2 id="universal-quantification">
2319 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2320 </title>
2321
2322 <para>
2323 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2324 allows us to say exactly what this means.  For example:
2325 </para>
2326 <para>
2327 <programlisting>
2328         g :: b -> b
2329 </programlisting>
2330 means this:
2331 <programlisting>
2332         g :: forall b. (b -> b)
2333 </programlisting>
2334 The two are treated identically.
2335 </para>
2336
2337 <para>
2338 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2339 explicit universal quantification in
2340 types. 
2341 For example, all the following types are legal:
2342 <programlisting>
2343     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2344     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2345
2346     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2347     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2348
2349     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2350 </programlisting>
2351 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2352 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2353 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2354 is implicitly added by Haskell.
2355 </para>
2356 <para>
2357 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2358 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
2359 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2360 </para>
2361 <para>
2362 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2363 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2364 </para>
2365 <para>
2366 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2367 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2368 that restriction has now been lifted.)
2369 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2370 including an operational type class context, is legal:
2371 <itemizedlist>
2372 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2373 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
2374 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2375 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2376 field type signatures.</para> </listitem>
2377 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2378 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
2379 </itemizedlist>
2380 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2381 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2382 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2383 <programlisting>
2384     x1 :: [forall a. a->a]
2385     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2386     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2387 </programlisting>
2388 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2389 a type variable any more!
2390 </para>
2391
2392
2393 <sect3 id="univ">
2394 <title>Examples
2395 </title>
2396
2397 <para>
2398 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2399 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2400 </para>
2401
2402 <para>
2403
2404 <programlisting>
2405 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2406
2407 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2408                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2409                         }
2410
2411 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2412 </programlisting>
2413
2414 </para>
2415
2416 <para>
2417 The constructors have rank-2 types:
2418 </para>
2419
2420 <para>
2421
2422 <programlisting>
2423 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2424 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2425                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2426                   -> MonadT m
2427 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2428 </programlisting>
2429
2430 </para>
2431
2432 <para>
2433 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2434 explicit context.  For example in the first argument of the
2435 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2436 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2437 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2438 mentioned in the type quantified over.
2439 </para>
2440
2441 <para>
2442 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2443 types too.  So if you write this:
2444
2445 <programlisting>
2446   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2447 </programlisting>
2448
2449 it's just as if you had written this:
2450
2451 <programlisting>
2452   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2453 </programlisting>
2454
2455 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2456 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2457 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2458 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2459 </para>
2460
2461 <para>
2462 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2463 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2464 </para>
2465
2466 <para>
2467
2468 <programlisting>
2469     a1 :: T Int
2470     a1 = T1 (\xy->x) 3
2471     
2472     a2, a3 :: Swizzle
2473     a2 = MkSwizzle sort
2474     a3 = MkSwizzle reverse
2475     
2476     a4 :: MonadT Maybe
2477     a4 = let r x = Just x
2478              b m k = case m of
2479                        Just y -> k y
2480                        Nothing -> Nothing
2481          in
2482          MkMonad r b
2483
2484     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2485     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2486 </programlisting>
2487
2488 </para>
2489
2490 <para>
2491 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2492 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2493 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2494 </para>
2495
2496 <para>
2497 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2498 polymorphic types.  For example:
2499 </para>
2500
2501 <para>
2502
2503 <programlisting>
2504     f :: T a -> a -> (a, Char)
2505     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2506
2507     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2508     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2509
2510     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2511     h m [] = return m []
2512     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2513                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2514                  return m (y:ys)
2515 </programlisting>
2516
2517 </para>
2518
2519 <para>
2520 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2521 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2522 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2523 matching.
2524 </para>
2525 </sect3>
2526
2527 <sect3>
2528 <title>Type inference</title>
2529
2530 <para>
2531 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2532 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2533 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2534 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2535 </para>
2536 <para>
2537 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2538 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2539 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2540 </para>
2541 <para>
2542 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2543 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2544 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2545 <programlisting>
2546      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2547 </programlisting>
2548 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2549 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2550 <programlisting>
2551      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2552 </programlisting>
2553 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2554 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2555 one can give a type signature for the function itself:
2556 <programlisting>
2557      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2558      h f = (f True, f 'c')
2559 </programlisting>
2560 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2561 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2562 <programlisting>
2563     f :: T a -> a -> (a, Char)
2564     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2565 </programlisting>
2566 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2567 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2568 it needs to know.
2569 </para>
2570
2571 </sect3>
2572
2573
2574 <sect3 id="implicit-quant">
2575 <title>Implicit quantification</title>
2576
2577 <para>
2578 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2579 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2580 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2581 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2582 equivalent:
2583 <programlisting>
2584   f :: a -> a
2585   f :: forall a. a -> a
2586
2587   g (x::a) = let
2588                 h :: a -> b -> b
2589                 h x y = y
2590              in ...
2591   g (x::a) = let
2592                 h :: forall b. a -> b -> b
2593                 h x y = y
2594              in ...
2595 </programlisting>
2596 </para>
2597 <para>
2598 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2599 point.  For example:
2600 <programlisting>
2601   f :: (a -> a) -> Int
2602            -- MEANS
2603   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2604            -- NOT
2605   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2606
2607
2608   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2609            -- MEANS the illegal type
2610   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2611            -- NOT
2612   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2613 </programlisting>
2614 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2615 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2616 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2617 for rank-2 types.
2618 </para>
2619 </sect3>
2620 </sect2>
2621
2622
2623
2624
2625 <sect2 id="scoped-type-variables">
2626 <title>Scoped type variables
2627 </title>
2628
2629 <para>
2630 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2631 variable</emphasis>.  For example
2632 </para>
2633
2634 <para>
2635
2636 <programlisting>
2637 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2638            where
2639               ys :: [a]
2640               ys = reverse xs
2641 </programlisting>
2642
2643 </para>
2644
2645 <para>
2646 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2647 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2648 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2649 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2650 </para>
2651
2652 <para>
2653  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2654 type signatures.  The two can be used independently or together.
2655 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2656 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2657 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2658 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2659 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2660 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2661 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2662 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2663 it becomes possible to do so.
2664 </para>
2665
2666 <para>
2667 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2668 implementations differ from the specification below, those differences
2669 are noted.
2670 </para>
2671
2672 <para>
2673 So much for the basic idea.  Here are the details.
2674 </para>
2675
2676 <sect3>
2677 <title>What a pattern type signature means</title>
2678 <para>
2679 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2680 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2681 of the same name mean the same type.  For example:
2682 <programlisting>
2683   f :: [Int] -> Int -> Int
2684   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2685 </programlisting>
2686 The pattern type signatures on the left hand side of
2687 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2688 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2689 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2690 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2691 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2692 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2693 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2694 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2695 For example, all of these are legal:</para>
2696
2697 <programlisting>
2698   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2699
2700   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2701
2702   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2703
2704   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2705         in k x                  -- environment
2706
2707   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2708   k (x::Int) False = ...
2709
2710   w :: [b] -> [b]
2711   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2712 </programlisting>
2713
2714 </sect3>
2715
2716 <sect3>
2717 <title>Scope and implicit quantification</title>
2718
2719 <para>
2720
2721 <itemizedlist>
2722 <listitem>
2723
2724 <para>
2725 All the type variables mentioned in a pattern,
2726 that are not already in scope,
2727 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2728 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2729 For example:
2730 <programlisting>
2731   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2732              in
2733              g (x,True)
2734 </programlisting>
2735 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2736 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2737 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2738 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2739 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2740 </para>
2741 </listitem>
2742
2743 <listitem>
2744 <para>
2745 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2746 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2747 <programlisting>
2748   let
2749     f (x::a) = <...rhs of f...>
2750     (p::b, q::b) = (1,2)
2751   in <...body of let...>
2752 </programlisting>
2753 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2754 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2755 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2756 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2757 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2758 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2759 </para>
2760 </listitem>
2761
2762
2763 <listitem>
2764 <para>
2765 The type variables bound by the pattern may be 
2766 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2767 type signatures anywhere within their scope.
2768
2769 </para>
2770 </listitem>
2771
2772 <listitem>
2773 <para>
2774  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2775 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2776
2777 </para>
2778 </listitem>
2779
2780 <listitem>
2781
2782 <para>
2783  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2784 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2785
2786 <programlisting>
2787   f :: a -> a
2788   f x = x::a
2789 </programlisting>
2790
2791 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2792 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2793 and that is an incorrect typing.
2794
2795 </para>
2796 </listitem>
2797
2798 <listitem>
2799 <para>
2800 The pattern type signature is a monotype:
2801 </para>
2802
2803 <itemizedlist>
2804 <listitem> <para> 
2805 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2806 </para> </listitem>
2807
2808 <listitem>  <para> 
2809 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2810 not to type schemes.
2811 </para> </listitem>
2812
2813 <listitem>  <para> 
2814 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2815 ordinary type signatures).
2816 </para> </listitem>
2817
2818 </itemizedlist>
2819
2820 </listitem>
2821
2822 <listitem>
2823 <para>
2824
2825 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2826 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2827
2828
2829 <programlisting>
2830   class C a where
2831     op :: [a] -> a
2832
2833     op xs = let ys::[a]
2834                 ys = reverse xs
2835             in
2836             head ys
2837 </programlisting>
2838
2839
2840 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2841 </para>
2842 </listitem>
2843
2844 </itemizedlist>
2845
2846 </para>
2847
2848 </sect3>
2849
2850 <sect3>
2851 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2852
2853 <para>
2854 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2855 <itemizedlist>
2856
2857 <listitem>
2858 <para>
2859 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2860 ust on a variable:
2861
2862
2863 <programlisting>
2864   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2865 </programlisting>
2866
2867
2868 </para>
2869 </listitem>
2870 <listitem>
2871
2872 <para>
2873  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2874 in lambda abstractions:
2875
2876 <programlisting>
2877   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2878 </programlisting>
2879 </para>
2880 </listitem>
2881 <listitem>
2882
2883 <para>
2884  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2885 in <literal>case</literal> expressions:
2886
2887
2888 <programlisting>
2889   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2890 </programlisting>
2891
2892 </para>
2893 </listitem>
2894
2895 <listitem>
2896 <para>
2897 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2898 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2899 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2900 consider how one would parse this:
2901
2902
2903 <programlisting>
2904   \ x :: a -> b -> x
2905 </programlisting>
2906
2907
2908 </para>
2909 </listitem>
2910
2911 <listitem>
2912
2913 <para>
2914  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2915 For example:
2916
2917
2918 <programlisting>
2919   data T = forall a. MkT [a]
2920
2921   f :: T -> T
2922   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2923                  where
2924                    t3::[a] = [t,t,t]
2925 </programlisting>
2926
2927
2928 </para>
2929 </listitem>
2930
2931
2932 <listitem>
2933
2934 <para>
2935 Pattern type signatures 
2936 can be used in pattern bindings:
2937
2938 <programlisting>
2939   f x = let (y, z::a) = x in ...
2940   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2941   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2942   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2943 </programlisting>
2944
2945 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2946 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2947 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2948 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2949 In contrast, the binding
2950 <programlisting>
2951   f4 :: b->b
2952   f4 = \x -> x
2953 </programlisting>
2954 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2955 in <literal>f4</literal>'s scope.
2956
2957 </para>
2958 </listitem>
2959 </itemizedlist>
2960 </para>
2961
2962 </sect3>
2963
2964 <sect3>
2965 <title>Result type signatures</title>
2966
2967 <para>
2968 The result type of a function can be given a signature, thus:
2969
2970
2971 <programlisting>
2972   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2973 </programlisting>
2974
2975
2976 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2977 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2978 you want:
2979
2980
2981 <programlisting>
2982   f :: Int -> [a] -> [a]
2983   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2984                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2985 </programlisting>
2986
2987 </para>
2988 <para>
2989 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
2990 of the definition. However, consider this corner-case:
2991 <programlisting>
2992   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2993
2994   foo ys = rev (ys::[a])
2995 </programlisting>
2996 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
2997 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
2998 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
2999 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3000 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3001 </para>
3002 <para>
3003 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3004 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3005 is polymorphic:
3006 <programlisting>
3007   rev1 :: [b] -> [b]
3008   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3009 </programlisting>
3010 </para>
3011
3012 <para>
3013 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3014 </para>
3015
3016 </sect3>
3017
3018 </sect2>
3019
3020 <sect2 id="deriving-typeable">
3021 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3022
3023 <para>
3024 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3025 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3026 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3027 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3028 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3029 </para>
3030 <para>
3031 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3032 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3033 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3034 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3035 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3036 </para>
3037 </sect2>
3038
3039 <sect2 id="newtype-deriving">
3040 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3041
3042 <para>
3043 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3044 the new type to inherit some instances from its representation. In
3045 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3046 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3047 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3048 example, if you define
3049
3050 <programlisting> 
3051   newtype Dollars = Dollars Int 
3052 </programlisting> 
3053
3054 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3055 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3056
3057 <programlisting> 
3058   instance Num Dollars where
3059     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3060     ...
3061 </programlisting>
3062 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3063 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3064 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3065 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3066 dictionary, only slower!
3067 </para>
3068
3069
3070 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3071 <para>
3072 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3073 <programlisting> 
3074   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3075 </programlisting> 
3076
3077 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3078 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3079 derives an instance declaration of the form
3080
3081 <programlisting> 
3082   instance Num Int => Num Dollars
3083 </programlisting> 
3084
3085 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3086 </para>
3087 <para>
3088
3089 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3090 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3091 transformers, such that
3092
3093 <programlisting> 
3094   instance Monad m => Monad (State s m) 
3095   instance Monad m => Monad (Failure m)
3096 </programlisting> 
3097 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3098 <programlisting> 
3099   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3100 </programlisting> 
3101
3102 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3103 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3104 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3105
3106 <programlisting> 
3107   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3108                          deriving Monad
3109 </programlisting>
3110 In this case the derived instance declaration is of the form 
3111 <programlisting> 
3112   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3113 </programlisting> 
3114
3115 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3116 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3117 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3118 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3119 declaration.
3120 </para>
3121 <para>
3122
3123 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3124 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3125 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3126 clause. For example, given the class
3127
3128 <programlisting> 
3129   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3130   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3131 </programlisting> 
3132 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3133 <programlisting> 
3134   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3135                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3136 </programlisting>
3137
3138 The derived instance is obtained by completing the application of the
3139 class to the new type:
3140
3141 <programlisting> 
3142   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3143            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3144 </programlisting>
3145 </para>
3146 <para>
3147
3148 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3149 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3150 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3151 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3152 the newtype and its representation.
3153 </para>
3154 </sect3>
3155
3156 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3157 <para>
3158 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3159 declaration (after expansion of any type synonyms)
3160
3161 <programlisting> 
3162   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3163 </programlisting> 
3164
3165 where 
3166  <itemizedlist>
3167 <listitem><para>
3168   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3169 </para></listitem>
3170 <listitem><para>
3171   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3172 </para></listitem>
3173 <listitem><para>
3174   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3175   the <literal>ti</literal>, and
3176 </para></listitem>
3177 <listitem><para>
3178   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3179   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3180   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3181 </para></listitem>
3182 <listitem><para>
3183   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3184                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3185                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3186                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3187                 via this new mechanism.  
3188 </para></listitem>
3189 </itemizedlist>
3190 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3191 declaration is:
3192 <programlisting> 
3193   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3194 </programlisting>
3195 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3196 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3197 </para>
3198 <para>
3199
3200 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3201 <programlisting> 
3202   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3203 </programlisting> 
3204 Here we cannot derive the instance 
3205 <programlisting> 
3206   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3207 </programlisting> 
3208
3209 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3210 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3211 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3212 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3213 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3214 </para>
3215 <para>
3216
3217 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3218 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3219 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3220
3221 <programlisting> 
3222   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3223 </programlisting>
3224
3225 then we would not have been able to derive an instance for the
3226 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3227 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3228 instances is most interesting.
3229 </para>
3230 </sect3>
3231
3232 </sect2>
3233
3234
3235 </sect1>
3236 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3237   
3238 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3239
3240 <sect1 id="template-haskell">
3241 <title>Template Haskell</title>
3242
3243 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3244 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3245 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3246 the background to
3247 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3248 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3249 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3250 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3251 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3252 (search for the type ExpQ).
3253 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3254       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3255 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3256 </para>
3257
3258 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3259 </para>
3260
3261 <para>
3262 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3263 Tim Sheard is going to expand it.)
3264 </para>
3265
3266     <sect2>
3267       <title>Syntax</title>
3268
3269       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3270       constructions.  You need to use the flag
3271       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3272       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3273       (<option>-fth</option> is currently implied by
3274       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3275       specify it explicitly).</para>
3276
3277         <itemizedlist>
3278               <listitem><para>
3279                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3280                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3281                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3282                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3283                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3284                   </para>
3285               <para> A splice can occur in place of 
3286                   <itemizedlist>
3287                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3288                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3289                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3290                     </itemizedlist>
3291            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3292         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3293         as in the paper.)
3294                 </para></listitem>
3295
3296
3297               <listitem><para>
3298                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3299                   <itemizedlist>
3300                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3301                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3302                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3303                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3304                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3305                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3306                   </itemizedlist></para></listitem>
3307
3308               <listitem><para>
3309                   Reification is written thus:
3310                   <itemizedlist>
3311                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3312                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3313                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3314                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3315                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3316                     
3317                   </itemizedlist></para>
3318                 </listitem>
3319
3320                   
3321         </itemizedlist>
3322 </sect2>
3323
3324 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3325 <para>
3326 <itemizedlist>
3327     <listitem><para>
3328     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3329     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3330     </para></listitem>
3331
3332     <listitem><para>
3333     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3334             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3335             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3336    </para></listitem>
3337
3338     <listitem><para>
3339             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3340    </para></listitem>
3341     <listitem><para>
3342             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3343               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3344               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3345               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3346               those of the compiler itself.
3347    </para></listitem>
3348 </itemizedlist>
3349 </para>
3350 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3351         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3352         has been lifted.
3353 </para>
3354 </sect2>
3355  
3356 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3357 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3358   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3359
3360 <programlisting>
3361
3362 {- Main.hs -}
3363 module Main where
3364
3365 -- Import our template "pr"
3366 import Printf ( pr )
3367
3368 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3369 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3370 -- the argument of "putStrLn".
3371 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3372
3373
3374 {- Printf.hs -}
3375 module Printf where
3376
3377 -- Skeletal printf from the paper.
3378 -- It needs to be in a separate module to the one where
3379 -- you intend to use it.
3380
3381 -- Import some Template Haskell syntax
3382 import Language.Haskell.THSyntax
3383
3384 -- Describe a format string
3385 data Format = D | S | L String
3386
3387 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3388 -- as we are here interested in building our first ever
3389 -- Template Haskell program and not in building printf.
3390 parse :: String -> [Format]
3391 parse s   = [ L s ]
3392
3393 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3394 -- of the format string.  This code will be spliced into
3395 -- the module which calls "pr", at compile time.
3396 gen :: [Format] -> ExpQ
3397 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3398 gen [S]   = [| \s -> s |]
3399 gen [L s] = stringE s
3400
3401 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3402 -- from an input format string.
3403 pr :: String -> ExpQ
3404 pr s      = gen (parse s)
3405 </programlisting>
3406
3407 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3408 </para>
3409 <programlisting>
3410 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3411 </programlisting>
3412
3413 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3414
3415 <programlisting>
3416 $ ./main
3417 Hello
3418 </programlisting>
3419
3420 </sect2>
3421  
3422 </sect1>
3423
3424 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3425
3426 <sect1 id="arrow-notation">
3427 <title>Arrow notation
3428 </title>
3429
3430 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3431 For more details, see
3432 <itemizedlist>
3433
3434 <listitem>
3435 <para>
3436 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3437 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3438 pp67&ndash;111, May 2000.
3439 </para>
3440 </listitem>
3441
3442 <listitem>
3443 <para>
3444 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3445 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3446 </para>
3447 </listitem>
3448
3449 <listitem>
3450 <para>
3451 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3452 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3453 Palgrave, 2003.
3454 </para>
3455 </listitem>
3456
3457 </itemizedlist>
3458 and the arrows web page at
3459 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3460 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3461 notation described in the second of these papers.
3462 What follows is a brief introduction to the notation;
3463 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3464 This notation is translated to ordinary Haskell,
3465 using combinators from the
3466 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3467 module.
3468 </para>
3469
3470 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows,
3471 of the form <literal>proc pat -> cmd</literal>,
3472 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3473 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3474 <literal>proc</literal>-expression,
3475 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3476 The syntax of commands is as follows:
3477 <screen>
3478 cmd   ::= exp1 -&lt;  exp2
3479        |  exp1 -&lt;&lt; exp2
3480        |  do { cstmt1 .. cstmtn ; cmd }
3481        |  let decls in cmd
3482        |  if exp then cmd1 else cmd2
3483        |  case exp of { calts }
3484        |  cmd1 qop cmd2
3485        |  (| aexp cmd1 .. cmdn |)
3486        |  \ pat1 .. patn -> cmd
3487        |  cmd aexp
3488        |  ( cmd )
3489
3490 cstmt ::= let decls
3491        |  pat &lt;- cmd
3492        |  rec { cstmt1 .. cstmtn }
3493        |  cmd
3494 </screen>
3495 Commands produce values, but (like monadic computations)
3496 may yield more than one value,
3497 or none, and may do other things as well.
3498 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3499 using commands.
3500 However the values of expressions, even monadic ones,
3501 are determined by the values of the variables they contain;
3502 this is not necessarily the case for commands.
3503 </para>
3504
3505 <para>
3506 A simple example of the new notation is the expression
3507 <screen>
3508 proc x -> f -&lt; x+1
3509 </screen>
3510 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3511 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3512 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3513 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3514 It refers to the input to the arrow.
3515 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3516 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3517 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3518 (The weird look will make more sense later.)
3519 It may be read as analogue of application for arrows.
3520 The above example is equivalent to the Haskell expression
3521 <screen>
3522 arr (\ x -> x+1) >>> f
3523 </screen>
3524 That would make no sense if the expression to the left of
3525 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3526 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3527 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3528 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3529 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3530 <screen>
3531 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3532 </screen>
3533 which is equivalent to
3534 <screen>
3535 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3536 </screen>
3537 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3538 class.
3539 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3540 you may find a monadic formulation more convenient.
3541 </para>
3542
3543 <sect2>
3544 <title>do-notation for commands</title>
3545
3546 <para>
3547 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3548 For example, you can write
3549 <screen>
3550 proc x -> do
3551         y &lt;- f -&lt; x+1
3552         g -&lt; 2*y
3553         let z = x+y
3554         t &lt;- h -&lt; x*z
3555         returnA -&lt; t+z
3556 </screen>
3557 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3558 but with commands in place of monadic expressions.
3559 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3560 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3561 <literal>y</literal>.
3562 In the next line, the output is discarded.
3563 The arrow <literal>returnA</literal> is defined in the
3564 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3565 module as <literal>arr id</literal>.
3566 The above example is treated as an abbreviation for
3567 <screen>
3568 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3569         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3570         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3571         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3572         arr snd >>>
3573         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3574         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3575         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3576         returnA
3577 </screen>
3578 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3579 After simplification using rewrite rules (see <xref linkEnd="rewrite-rules">)
3580 defined in the
3581 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3582 module, this reduces to
3583 <screen>
3584 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3585         first f >>>
3586         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3587         first g >>>
3588         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3589         first h >>>
3590         arr (\ (t, z) -> t+z)
3591 </screen>
3592 which is what you might have written by hand.
3593 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3594 </para>
3595
3596 <para>
3597 Note that although the above translation suggests that
3598 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3599 monomorphic, the actual translation produces Core,
3600 so polymorphic variables are allowed.
3601 </para>
3602
3603 <para>
3604 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3605 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3606 <screen>
3607 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3608 counter = proc reset -> do
3609         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3610                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3611         returnA -&lt; output
3612 </screen>
3613 The translation of such forms uses the <literal>loop</literal> combinator,
3614 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3615 </para>
3616
3617 </sect2>
3618
3619 <sect2>
3620 <title>Conditional commands</title>
3621
3622 <para>
3623 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3624 input for an arrow.
3625 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3626 <screen>
3627 proc (x,y) ->
3628         if f x y
3629         then g -&lt; x+1
3630         else h -&lt; y+2
3631 </screen>
3632 which is translated to
3633 <screen>
3634 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3635         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3636 </screen>
3637 Since the translation uses <literal>|||</literal>,
3638 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3639 </para>
3640
3641 <para>
3642 There are also <literal>case</literal> commands, like
3643 <screen>
3644 case input of
3645     [] -> f -&lt; ()
3646     [x] -> g -&lt; x+1
3647     x1:x2:xs -> do
3648         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3649         ys &lt;- k -&lt; xs
3650         returnA -&lt; y:ys
3651 </screen>
3652 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3653 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3654 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3655 </para>
3656
3657 </sect2>
3658
3659 <sect2>
3660 <title>Defining your own control structures</title>
3661
3662 <para>
3663 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3664 modelled on those for expressions,
3665 for sequencing, value recursion and conditionals.
3666 But suitable combinators,
3667 which you can define in ordinary Haskell,
3668 may also be used to build new commands out of existing ones.
3669 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3670 These environments assign values to the free local variables of the command.
3671 Thus combinators that produce arrows from arrows
3672 may also be used to build commands from commands.
3673 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3674 <programlisting>
3675 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3676 </programlisting>
3677 so we can use it to build commands:
3678 <programlisting>
3679 expr' = proc x ->
3680                 returnA -&lt; x
3681         &lt;+> do
3682                 symbol Plus -&lt; ()
3683                 y &lt;- term -&lt; ()
3684                 expr' -&lt; x + y
3685         &lt;+> do
3686                 symbol Minus -&lt; ()
3687                 y &lt;- term -&lt; ()
3688                 expr' -&lt; x - y
3689 </programlisting>
3690 This is equivalent to
3691 <programlisting>
3692 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3693         &lt;+> (proc x -> do
3694                 symbol Plus -&lt; ()
3695                 y &lt;- term -&lt; ()
3696                 expr' -&lt; x + y)
3697         &lt;+> (proc x -> do
3698                 symbol Minus -&lt; ()
3699                 y &lt;- term -&lt; ()
3700                 expr' -&lt; x - y)
3701 </programlisting>
3702 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3703 (representing the environment input to the command
3704 and thence to its subcommands)
3705 and satisfy the corresponding naturality property
3706 <screen>
3707 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3708 </screen>
3709 at least for strict <literal>k</literal>.
3710 (This should be automatic if you're not using <literal>seq</literal>.)
3711 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3712 of the whole command,
3713 and also allows the translation to safely trim these environments.
3714 The operator must also not use any variable defined within the current
3715 arrow abstraction.
3716 </para>
3717
3718 <para>
3719 We could define our own operator
3720 <programlisting>
3721 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3722 untilA body cond = proc x ->
3723         if cond x then returnA -&lt; ()
3724         else do
3725                 body -&lt; x
3726                 untilA body cond -&lt; x
3727 </programlisting>
3728 and use it in the same way.
3729 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3730 there is also a more general syntax involving special brackets:
3731 <screen>
3732 proc x -> do
3733         y &lt;- f -&lt; x+1
3734         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3735 </screen>
3736 </para>
3737
3738 </sect2>
3739
3740 <sect2>
3741 <title>Primitive constructs</title>
3742
3743 <para>
3744 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3745 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3746 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3747 exception that occurred to the handler.
3748 Such an operator might have a type
3749 <screen>
3750 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3751 </screen>
3752 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3753 You could then use this with arrow notation by writing a command
3754 <screen>
3755 body `handleA` \ ex -> handler
3756 </screen>
3757 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3758 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3759 and the command <literal>handler</literal>,
3760 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3761 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3762 we are talking about commands, and something different is going on.
3763 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3764 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3765 In all the prior examples, this stack was empty.
3766 In the second argument to <literal>handleA</literal>,
3767 this stack consists of one value, the value of the exception.
3768 The command form of lambda merely gives this value a name.
3769 </para>
3770
3771 <para>
3772 More concretely,
3773 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3774 So when designing operators like <literal>handleA</literal> that pass
3775 extra inputs to their subcommands,
3776 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3777 should have the form
3778 <screen>
3779 a (...(e,t1), ... tn) t
3780 </screen>
3781 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3782 (representing the environment)
3783 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3784 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3785 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3786 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3787 <replaceable>t</replaceable>.
3788 However the arrows involved need not be the same.
3789 Here are some more examples of suitable operators:
3790 <screen>
3791 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3792 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3793 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3794 </screen>
3795 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3796 by applying them to ordinary expressions, as in
3797 <screen>
3798 proc x -> do
3799         s &lt;- ...
3800         (|runReader (do { ... })|) s
3801 </screen>
3802 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3803 built using <literal>runReader</literal>.
3804 </para>
3805
3806 <para>
3807 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3808 the expression versions.
3809 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3810 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3811 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3812 though the results would be somewhat clumsy.
3813 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3814 <programlisting>
3815 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3816 u `bind` f = returnA &&& u >>> f
3817
3818 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3819 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3820 </programlisting>
3821 We could simulate <literal>do</literal> by defining
3822 <programlisting>
3823 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3824 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3825 </programlisting>
3826 </para>
3827
3828 </sect2>
3829
3830 <sect2>
3831 <title>Differences with the paper</title>
3832
3833 <itemizedlist>
3834
3835 <listitem>
3836 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3837 translations, the implementation provides two forms
3838 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3839 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3840 </para>
3841 </listitem>
3842
3843 <listitem>
3844 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3845 a new <literal>form</literal> keyword.
3846 </para>
3847 </listitem>
3848
3849 </itemizedlist>
3850
3851 </sect2>
3852
3853 <sect2>
3854 <title>Portability</title>
3855
3856 <para>
3857 Although only GHC implements arrow notation directly,
3858 there is also a preprocessor
3859 (available from the 
3860 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
3861 that translates arrow notation into Haskell 98
3862 for use with other Haskell systems.
3863 You would still want to check arrow programs with GHC;
3864 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
3865 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
3866 additional restrictions:
3867 <itemizedlist>
3868
3869 <listitem>
3870 <para>
3871 The module must import
3872 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
3873 </para>
3874 </listitem>
3875
3876 <listitem>
3877 <para>
3878 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
3879 These would have to go in separate modules.
3880 </para>
3881 </listitem>
3882
3883 <listitem>
3884 <para>
3885 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
3886 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
3887 </para>
3888 </listitem>
3889
3890 </itemizedlist>
3891 </para>
3892
3893 </sect2>
3894
3895 </sect1>
3896
3897 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3898
3899 <sect1 id="sec-assertions">
3900 <title>Assertions
3901 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3902 </title>
3903
3904 <para>
3905 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3906 could define a function like the following:
3907 </para>
3908
3909 <para>
3910
3911 <programlisting>
3912 assert :: Bool -> a -> a
3913 assert False x = error "assertion failed!"
3914 assert _     x = x
3915 </programlisting>
3916
3917 </para>
3918
3919 <para>
3920 which works, but gives you back a less than useful error message --
3921 an assertion failed, but which and where?
3922 </para>
3923
3924 <para>
3925 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3926 takes a descriptive string to include in the error message and
3927 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3928 the source location where <function>assert</function> was used.
3929 </para>
3930
3931 <para>
3932 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3933 use of <function>assert</function> in the user's source:
3934 </para>
3935
3936 <para>
3937
3938 <programlisting>
3939 kelvinToC :: Double -> Double
3940 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3941 </programlisting>
3942
3943 </para>
3944
3945 <para>
3946 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3947 assertion was made,
3948 </para>
3949
3950 <para>
3951
3952 <programlisting>
3953 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3954 </programlisting>
3955
3956 </para>
3957
3958 <para>
3959 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3960 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3961 can still define and use your own versions of
3962 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3963 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3964 <function>assert</function> in your code.
3965 </para>
3966
3967 <para>
3968 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3969 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3970 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3971 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3972 <literal>e</literal>.
3973 </para>
3974
3975 <para>
3976 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3977 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3978 </para>
3979
3980 </sect1>
3981
3982
3983 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3984
3985   <sect1 id="pragmas">
3986     <title>Pragmas</title>
3987
3988     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3989
3990     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3991     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3992     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3993     of the generated code.</para>
3994
3995     <para>Pragmas all take the form
3996
3997 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3998
3999     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4000     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4001     type of pragma.  Case is ignored in
4002     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4003     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4004     in the following sections; any pragma encountered with an
4005     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4006     ignored.</para>
4007
4008     <sect2 id="deprecated-pragma">
4009       <title>DEPRECATED pragma</title>
4010       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4011       </indexterm>
4012
4013       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4014       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4015       forms.
4016
4017       <itemizedlist>
4018         <listitem>
4019           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4020 <programlisting>
4021    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4022      ...
4023 </programlisting>
4024           <para>When you compile any module that import
4025           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4026           message.</para>
4027         </listitem>
4028
4029         <listitem>
4030           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4031           following top-level declaration:</para>
4032 <programlisting>
4033    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4034 </programlisting>
4035           <para>When you compile any module that imports and uses any
4036           of the specifed entities, GHC will print the specified
4037           message.</para>
4038         </listitem>
4039       </itemizedlist>
4040       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4041       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4042       deprecations are not reported for
4043       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4044       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4045       The latter reduces spurious complaints within a library
4046       in which one module gathers together and re-exports 
4047       the exports of several others.
4048       </para>
4049       <para>You can suppress the warnings with the flag
4050       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4051     </sect2>
4052
4053     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4054       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4055
4056       <para>These pragmas control the inlining of function
4057       definitions.</para>
4058
4059       <sect3 id="inline-pragma">
4060         <title>INLINE pragma</title>
4061         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4062
4063         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4064         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4065         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4066         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4067         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4068         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4069         export that unfolding for other modules to use.</para>
4070
4071         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4072         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4073         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4074
4075 <programlisting>
4076 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4077
4078 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4079 {-# INLINE key_function #-}
4080 #endif
4081 </programlisting>
4082
4083         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4084         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4085         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4086
4087         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4088         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4089         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4090         inline it.</para>
4091
4092         <para>Syntactially, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4093         function can be put anywhere its type signature could be
4094         put.</para>
4095
4096         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4097         good idea for the
4098         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4099         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4100         a monad.  For example, in GHC's own
4101         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4102
4103 <programlisting>
4104 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4105 {-# INLINE thenUs #-}
4106 {-# INLINE returnUs #-}
4107 #endif
4108 </programlisting>
4109
4110         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4111         linkend="noinline-pragma">).</para>
4112       </sect3>
4113
4114       <sect3 id="noinline-pragma">
4115         <title>NOINLINE pragma</title>
4116         
4117         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4118         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4119
4120         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4121         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4122         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4123         you're very cautious about code size.</para>
4124
4125         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4126         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is
4127         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4128         inlining, so it should be used if you want your code to be
4129         portable).</para>
4130       </sect3>
4131
4132       <sect3 id="phase-control">
4133         <title>Phase control</title>
4134
4135         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4136         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4137         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4138         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4139         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4140         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4141         sequence of phase numbers for successive runs of the
4142         simpifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4143         phase number, thus:</para>
4144
4145         <itemizedlist>
4146           <listitem>
4147             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4148             and all subsequent phases":
4149 <programlisting>
4150   {-# INLINE [2] f #-}
4151 </programlisting>
4152             </para>
4153           </listitem>
4154
4155           <listitem>
4156             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4157             phases up to, but not including, Phase 3":
4158 <programlisting>
4159   {-# INLINE [~3] g #-}
4160 </programlisting>
4161             </para>
4162           </listitem>
4163
4164           <listitem>
4165             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4166             all phases".</para>
4167           </listitem>
4168         </itemizedlist>
4169
4170         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4171
4172         <itemizedlist>
4173           <listitem>
4174             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4175             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4176             there was no pragma at all":
4177 <programlisting>
4178   {-# NOINLINE [2] f #-}
4179 </programlisting>
4180             </para>
4181           </listitem>
4182
4183           <listitem>
4184             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4185             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4186             there was no pragma":
4187 <programlisting>
4188   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4189 </programlisting>
4190             </para>
4191           </listitem>
4192
4193           <listitem>
4194             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4195             inline this function".</para>
4196           </listitem>
4197         </itemizedlist>
4198
4199         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4200         (<xref LinkEnd="rewrite-rules">).</para>
4201       </sect3>
4202     </sect2>
4203
4204     <sect2 id="line-pragma">
4205       <title>LINE pragma</title>
4206
4207       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4208       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4209       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4210       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4211       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4212       original code; for example</para>
4213
4214 <programlisting>
4215 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4216 </programlisting>
4217
4218       <para>if you'd generated the current file from something called
4219       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4220       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4221       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4222       pragma.</para>
4223     </sect2>
4224
4225     <sect2 id="options-pragma">
4226       <title>OPTIONS pragma</title>
4227       <indexterm><primary>OPTIONS</primary>
4228       </indexterm>
4229       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS</secondary>
4230       </indexterm>
4231
4232       <para>The <literal>OPTIONS</literal> pragma is used to specify
4233       additional options that are given to the compiler when compiling
4234       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"> for
4235       details.</para>
4236     </sect2>
4237
4238     <sect2 id="rules">
4239       <title>RULES pragma</title>
4240
4241       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4242       described in <xref LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
4243     </sect2>
4244
4245     <sect2 id="specialize-pragma">
4246       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4247
4248       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4249       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4250       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4251
4252       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4253       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4254       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4255       overloaded function:</para>
4256
4257 <programlisting>
4258 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4259 </programlisting>
4260
4261       <para>If it is heavily used on lists with
4262       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4263       follows:</para>
4264
4265 <programlisting>
4266 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4267 </programlisting>
4268
4269       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4270       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4271
4272 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating (a) a specialised
4273 version of the function and (b) a rewrite rule (see <xref linkend="rules">) that 
4274 rewrites a call to the un-specialised function into a call to the specialised
4275 one. You can, instead, provide your own specialised function and your own rewrite rule.
4276 For example, suppose that:
4277 <programlisting>
4278   genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
4279   intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
4280 </programlisting>
4281 where <literal>intLookup</literal> is an implementation of <literal>genericLookup</literal>
4282 that works very fast for keys of type <literal>Int</literal>.  Then you can write the rule
4283 <programlisting>
4284   {-# RULES "intLookup" genericLookup = intLookup #-}
4285 </programlisting>
4286 (see <xref linkend="rule-spec">). It is <emphasis>Your
4287       Responsibility</emphasis> to make sure that
4288       <function>intLookup</function> really behaves as a specialised
4289       version of <function>genericLookup</function>!!!</para>
4290
4291       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
4292       specialisation will Win Big:
4293
4294 <programlisting>
4295   toDouble :: Real a => a -> Double
4296   toDouble = fromRational . toRational
4297
4298   {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
4299   i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
4300 </programlisting>
4301
4302       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
4303       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
4304       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
4305       comparison.</para>
4306
4307     </sect2>
4308
4309 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4310 <title>SPECIALIZE instance pragma
4311 </title>
4312
4313 <para>
4314 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4315 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4316 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4317
4318 <programlisting>
4319 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4320    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4321    ... usual stuff ...
4322  }
4323 </programlisting>
4324 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4325 of the instance declaration.
4326 </para>
4327 <para>
4328 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4329 of the pragma.
4330 </para>
4331
4332 </sect2>
4333
4334     <sect2 id="unpack-pragma">
4335       <title>UNPACK pragma</title>
4336
4337       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4338       
4339       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4340       that it should unpack the contents of a constructor field into
4341       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4342       example:</para>
4343
4344 <ProgramListing>
4345 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4346            {-# UNPACK #-} !Float
4347 </ProgramListing>
4348
4349       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4350       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4351       the <Function>T</Function> constructor is scrutinised and the
4352       floats passed to a non-strict function for example, they will
4353       have to be reboxed (this is done automatically by the
4354       compiler).</para>
4355
4356       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4357       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4358       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4359       often as possible.  For example:</para>
4360
4361 <ProgramListing>
4362 f :: T -&#62; Float
4363 f (T f1 f2) = f1 + f2
4364 </ProgramListing>
4365
4366       <para>The compiler will avoid reboxing <Function>f1</Function>
4367       and <Function>f2</Function> by inlining <Function>+</Function>
4368       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4369
4370       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4371       example</para>
4372
4373 <ProgramListing>
4374 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4375 </ProgramListing>
4376
4377       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4378       <Function>T</Function> constructor, by flattening the pair.
4379       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4380
4381 <ProgramListing>
4382 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4383 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4384 </ProgramListing>
4385
4386       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4387       directly in the <Function>T</Function> constructor.  The
4388       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4389
4390       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4391       so it might be an idea to check the generated code with
4392       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4393
4394       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4395       which essentially has the effect of adding
4396       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4397       constructor field.</para>
4398     </sect2>
4399
4400 </sect1>
4401
4402 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4403
4404 <sect1 id="rewrite-rules">
4405 <title>Rewrite rules
4406
4407 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
4408 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4409 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4410
4411 <para>
4412 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4413 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4414 the <option>-O</option> flag (<xref LinkEnd="options-optimise">) is on, 
4415 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4416 (<xref LinkEnd="options-f">) is not specified.
4417 </para>
4418
4419 <para>
4420 Here is an example:
4421
4422 <programlisting>
4423   {-# RULES
4424         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4425   #-}
4426 </programlisting>
4427
4428 </para>
4429
4430 <sect2>
4431 <title>Syntax</title>
4432
4433 <para>
4434 From a syntactic point of view:
4435
4436 <itemizedlist>
4437 <listitem>
4438
4439 <para>
4440  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4441 </para>
4442 </listitem>
4443
4444 <listitem>
4445
4446 <para>
4447  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4448 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4449 </para>
4450 </listitem>
4451
4452 <listitem>
4453 <para>
4454 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref LinkEnd="phase-control">),
4455 immediately after the name of the rule.  Thus:
4456 <programlisting>
4457   {-# RULES
4458         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4459   #-}
4460 </programlisting>
4461 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4462 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4463 Phase 2.
4464 </para>
4465 </listitem>
4466
4467
4468 <listitem>
4469
4470 <para>
4471  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4472 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4473 enclosing definitions.
4474 </para>
4475 </listitem>
4476
4477 <listitem>
4478
4479 <para>
4480  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4481 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4482 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4483 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4484 </para>
4485 </listitem>
4486 <listitem>
4487
4488 <para>
4489  A pattern variable may optionally have a type signature.
4490 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4491 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4492
4493 <programlisting>
4494 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4495               foldr k z (build g) = g k z
4496 </programlisting>
4497
4498 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4499
4500 </para>
4501 </listitem>
4502 <listitem>
4503
4504 <para>
4505 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4506 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4507
4508 <programlisting>
4509 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4510 "wrong2"   forall f.      f True = True
4511 </programlisting>
4512
4513 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4514 in the head.
4515 </para>
4516 </listitem>
4517 <listitem>
4518
4519 <para>
4520  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4521 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4522 </para>
4523 </listitem>
4524 <listitem>
4525
4526 <para>
4527  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4528 </para>
4529 </listitem>
4530
4531 </itemizedlist>
4532
4533 </para>
4534
4535 </sect2>
4536
4537 <sect2>
4538 <title>Semantics</title>
4539
4540 <para>
4541 From a semantic point of view:
4542
4543 <itemizedlist>
4544 <listitem>
4545
4546 <para>
4547 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4548 </para>
4549 </listitem>
4550
4551 <listitem>
4552 <para>
4553  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4554 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4555 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4556 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4557 expression by substituting for the pattern variables.
4558
4559 </para>
4560 </listitem>
4561 <listitem>
4562
4563 <para>
4564  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4565 same type.
4566
4567 </para>
4568 </listitem>
4569 <listitem>
4570
4571 <para>
4572  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4573 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
4574 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4575
4576 </para>
4577 </listitem>
4578 <listitem>
4579
4580 <para>
4581  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4582 terminating.  For example:
4583
4584 <programlisting>
4585   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4586 </programlisting>
4587
4588 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4589
4590 </para>
4591 </listitem>
4592 <listitem>
4593
4594 <para>
4595  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4596
4597 </para>
4598 </listitem>
4599 <listitem>
4600 <para>
4601  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4602 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4603 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4604 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4605 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
4606 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4607 </para>
4608
4609 <para>
4610 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4611 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4612 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
4613 </para>
4614 </listitem>
4615 <listitem>
4616
4617 <para>
4618  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4619 For example, consider:
4620
4621 <programlisting>
4622   let s = map f
4623       t = map g
4624   in
4625   s (t xs)
4626 </programlisting>
4627
4628 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4629 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
4630 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4631 not be substituted, and the rule would not fire.
4632
4633 </para>
4634 </listitem>
4635 <listitem>
4636
4637 <para>
4638  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4639 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4640 for something you can't match against it (given the simple minded
4641 matching).  So if you write the rule
4642
4643 <programlisting>
4644         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4645 </programlisting>
4646
4647 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4648 It will only match something written with explicit use of ".".
4649 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4650
4651 <programlisting>
4652 wibble f g xs
4653 </programlisting>
4654
4655 where <function>wibble</function> is defined:
4656
4657 <programlisting>
4658 wibble f g = map f . map g
4659 </programlisting>
4660
4661 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4662
4663 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4664 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4665 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4666
4667 </para>
4668 </listitem>
4669 <listitem>
4670
4671 <para>
4672  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4673 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4674 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4675 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4676 declarations.
4677 </para>
4678 </listitem>
4679
4680 </itemizedlist>
4681
4682 </para>
4683
4684 </sect2>
4685
4686 <sect2>
4687 <title>List fusion</title>
4688
4689 <para>
4690 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4691 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4692 intermediate list should be eliminated entirely.
4693 </para>
4694
4695 <para>
4696 The following are good producers:
4697
4698 <itemizedlist>
4699 <listitem>
4700
4701 <para>
4702  List comprehensions
4703 </para>
4704 </listitem>
4705 <listitem>
4706
4707 <para>
4708  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4709 </para>
4710 </listitem>
4711 <listitem>
4712
4713 <para>
4714  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4715 </para>
4716 </listitem>
4717 <listitem>
4718
4719 <para>
4720  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4721 </para>
4722 </listitem>
4723 <listitem>
4724
4725 <para>
4726  <function>++</function>
4727 </para>
4728 </listitem>
4729
4730 <listitem>
4731 <para>
4732  <function>map</function>
4733 </para>
4734 </listitem>
4735
4736 <listitem>
4737 <para>
4738  <function>filter</function>
4739 </para>
4740 </listitem>
4741 <listitem>
4742
4743 <para>
4744  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4745 </para>
4746 </listitem>
4747 <listitem>
4748
4749 <para>
4750  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4751 </para>
4752 </listitem>
4753
4754 </itemizedlist>
4755
4756 </para>
4757
4758 <para>
4759 The following are good consumers:
4760
4761 <itemizedlist>
4762 <listitem>
4763
4764 <para>
4765  List comprehensions
4766 </para>
4767 </listitem>
4768 <listitem>
4769
4770 <para>
4771  <function>array</function> (on its second argument)
4772 </para>
4773 </listitem>
4774 <listitem>
4775
4776 <para>
4777  <function>length</function>
4778 </para>
4779 </listitem>
4780 <listitem>
4781
4782 <para>
4783  <function>++</function> (on its first argument)
4784 </para>
4785 </listitem>
4786
4787 <listitem>
4788 <para>
4789  <function>foldr</function>
4790 </para>
4791 </listitem>
4792
4793 <listitem>
4794 <para>
4795  <function>map</function>
4796 </para>
4797 </listitem>
4798 <listitem>
4799
4800 <para>
4801  <function>filter</function>
4802 </para>
4803 </listitem>
4804 <listitem>
4805
4806 <para>
4807  <function>concat</function>
4808 </para>
4809 </listitem>
4810 <listitem>
4811
4812 <para>
4813  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4814 </para>
4815 </listitem>
4816 <listitem>
4817
4818 <para>
4819  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4820 will fuse with one but not the other)
4821 </para>
4822 </listitem>
4823 <listitem>
4824
4825 <para>
4826  <function>partition</function>
4827 </para>
4828 </listitem>
4829 <listitem>
4830
4831 <para>
4832  <function>head</function>
4833 </para>
4834 </listitem>
4835 <listitem>
4836
4837 <para>
4838  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4839 </para>
4840 </listitem>
4841 <listitem>
4842
4843 <para>
4844  <function>sequence&lowbar;</function>
4845 </para>
4846 </listitem>
4847 <listitem>
4848
4849 <para>
4850  <function>msum</function>
4851 </para>
4852 </listitem>
4853 <listitem>
4854
4855 <para>
4856  <function>sortBy</function>
4857 </para>
4858 </listitem>
4859
4860 </itemizedlist>
4861
4862 </para>
4863
4864  <para>
4865 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4866
4867 <programlisting>
4868 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4869 </programlisting>
4870
4871 </para>
4872
4873 <para>
4874 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4875 a lot which are not included, please tell us.
4876 </para>
4877
4878 <para>
4879 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4880 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4881 </para>
4882
4883 </sect2>
4884
4885 <sect2 id="rule-spec">
4886 <title>Specialisation
4887 </title>
4888
4889 <para>
4890 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4891 present in earlier version of GHC:
4892
4893 <programlisting>
4894   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4895 </programlisting>
4896
4897 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4898 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4899 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4900 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4901 </para>
4902
4903 <para>
4904 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4905 same thing:
4906
4907 <programlisting>
4908 {-# RULES
4909   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4910 #-}
4911 </programlisting>
4912
4913 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4914 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4915 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4916
4917 <programlisting>
4918 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4919         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4920 </programlisting>
4921
4922 What is more,
4923 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4924 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4925 have an original definition available to specialise).
4926 </para>
4927
4928 </sect2>
4929
4930 <sect2>
4931 <title>Controlling what's going on</title>
4932
4933 <para>
4934
4935 <itemizedlist>
4936 <listitem>
4937
4938 <para>
4939  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4940 </para>
4941 </listitem>
4942 <listitem>
4943
4944 <para>
4945  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4946 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4947 </para>
4948 </listitem>
4949 <listitem>
4950
4951 <para>
4952  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>GHC/Base.lhs</FileName> looks llike this:
4953
4954 <programlisting>
4955         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4956         {-# INLINE build #-}
4957         build g = g (:) []
4958 </programlisting>
4959
4960 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4961 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4962 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4963 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4964
4965 </para>
4966 </listitem>
4967 <listitem>
4968
4969 <para>
4970  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4971 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4972 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
4973 </para>
4974 </listitem>
4975
4976 </itemizedlist>
4977
4978 </para>
4979
4980 </sect2>
4981
4982 <sect2 id="core-pragma">
4983   <title>CORE pragma</title>
4984
4985   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
4986   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
4987   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
4988
4989 <para>
4990   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
4991   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
4992   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
4993   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
4994   literal as an argument.  The following function definition shows an
4995   example:
4996
4997 <programlisting>
4998 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
4999 </programlisting>
5000
5001   Sematically, this is equivalent to:
5002
5003 <programlisting>
5004 g x = show x
5005 </programlisting>
5006 </para>
5007
5008 <para>
5009   However, when external for is generated (via
5010   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5011   expressions <function>show</function> and <VarName>x</VarName>.
5012   The core function declaration for <function>f</function> is:
5013 </para>
5014
5015 <programlisting>
5016   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5017                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5018     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5019         (%note "foo"
5020          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5021            {GHCziShow.ZCDShow
5022             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5023                    a ->
5024                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5025 r)
5026             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5027             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5028                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5029 r) ->
5030               tpl2})
5031         (%note "foo"
5032          eta);
5033 </programlisting>
5034
5035 <para>
5036   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5037   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5038   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5039   expression <VarName>eta</VarName> (which used to be called
5040   <VarName>x</VarName>).
5041 </para>
5042
5043 </sect2>
5044
5045 </sect1>
5046
5047 <sect1 id="generic-classes">
5048 <title>Generic classes</title>
5049
5050     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5051     GHC 5.02).</para>
5052
5053 <para>
5054 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5055 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5056 An example will give the idea:
5057 </para>
5058
5059 <programlisting>
5060   import Generics
5061
5062   class Bin a where
5063     toBin   :: a -> [Int]
5064     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5065   
5066     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5067     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5068     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5069     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5070   
5071     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5072     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5073     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5074     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5075                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5076 </programlisting>
5077 <para>
5078 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5079 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5080 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5081 </para>
5082 <programlisting>
5083   data Unit    = Unit
5084   data a :+: b = Inl a | Inr b
5085   data a :*: b = a :*: b
5086 </programlisting>
5087 <para>
5088 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5089 <programlisting>
5090   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5091   instance Bin a => Bin [a]
5092 </programlisting>
5093 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5094 where clause and over-ride whichever methods you please.
5095 </para>
5096
5097     <sect2>
5098       <title> Using generics </title>
5099       <para>To use generics you need to</para>
5100       <itemizedlist>
5101         <listitem>
5102           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5103                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5104                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5105                 available.  </para>
5106         </listitem>
5107         <listitem>
5108           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5109           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5110           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5111           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5112           don't need this import if you don't mention these types
5113           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5114           declarations.)</para>
5115         </listitem>
5116       </itemizedlist>
5117     </sect2>
5118
5119 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5120 <para>
5121 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5122 can be written infix (indeed, you can now use
5123 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5124 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5125 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5126 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5127 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5128 anticipate wanting).
5129 </para>
5130 </sect2>
5131
5132 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5133 <para>
5134 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5135 is one that is defined using type patterns as above.
5136 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5137 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5138 generic default method.
5139 </para>
5140
5141 <para>
5142 Restrictions:
5143 <itemizedlist>
5144 <listitem>
5145 <para>
5146 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5147 field labels.
5148 </para>
5149 </listitem>
5150
5151 <listitem>
5152 <para>
5153 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5154 multi-parameter class.
5155 </para>
5156 </listitem>
5157
5158 <listitem>
5159 <para>
5160 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5161 without.  So this is illegal:
5162 <programlisting>
5163   class Foo a where
5164     op :: a -> (a, Bool)
5165     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5166     op x               = (x,    False)
5167 </programlisting>
5168 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5169 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5170 </para>
5171 </listitem>
5172
5173 <listitem>
5174 <para>
5175 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5176 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:
5177 <programlisting>
5178   class Foo a where
5179     op :: a -> Bool
5180     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5181     ...
5182 </programlisting>
5183 </para>
5184 </listitem>
5185
5186 <listitem>
5187 <para>
5188 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5189 <programlisting>
5190        a :+: b
5191        a :*: b
5192        Unit
5193 </programlisting>
5194 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5195 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5196 must use the same type variables.  So this is illegal:
5197 <programlisting>
5198   class Foo a where
5199     op :: a -> Bool
5200     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5201     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5202 </programlisting>
5203 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5204 So this too is illegal:
5205 <programlisting>
5206   class Foo a where
5207     op1 :: a -> Bool
5208     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5209
5210     op2 :: a -> Bool
5211     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5212 </programlisting>
5213 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5214 into a single generic instance declaration.)
5215 </para>
5216 </listitem>
5217
5218 <listitem>
5219 <para>
5220 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5221 </para>
5222 </listitem>
5223
5224 <listitem>
5225 <para>
5226 The type for a generic method can be built only from:
5227   <itemizedlist>
5228   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5229   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5230   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5231   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5232   </itemizedlist>
5233 Here are some example type signatures for generic methods:
5234 <programlisting>
5235     op1 :: a -> Bool
5236     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5237     op3 :: [Int] -> a -> a
5238     op4 :: [a] -> Bool
5239 </programlisting>
5240 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5241 inside a list.  
5242 </para>
5243 <para>
5244 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5245 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5246 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5247 to the ones that are allowed.</para>
5248 </listitem>
5249
5250 <listitem>
5251 <para>
5252 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5253 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5254 do so if
5255   <itemizedlist>
5256   <listitem>
5257   <para>
5258   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5259   </para>
5260   </listitem>
5261   <listitem>
5262   <para>
5263   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5264   </para>
5265   </listitem>
5266   </itemizedlist>
5267 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5268 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5269 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5270 </para>
5271 </listitem>
5272
5273 </itemizedlist>
5274 </para>
5275
5276 <para>
5277 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5278 what the compiler does with generic declarations.
5279 </para>
5280
5281 </sect2>
5282
5283 <sect2> <title> Another example </title>
5284 <para>
5285 Just to finish with, here's another example I rather like:
5286 <programlisting>
5287   class Tag a where
5288     nCons :: a -> Int
5289     nCons {| Unit |}    _ = 1
5290     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5291     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5292   
5293     tag :: a -> Int
5294     tag {| Unit |}    _       = 1
5295     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5296     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5297     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5298 </programlisting>
5299 </para>
5300 </sect2>
5301 </sect1>
5302
5303
5304
5305 <!-- Emacs stuff:
5306      ;;; Local Variables: ***
5307      ;;; mode: sgml ***
5308      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
5309      ;;; End: ***
5310  -->
5311