[project @ 2003-07-21 11:06:22 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-farrows</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="arrow-notation">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121       <varlistentry>
122         <term><option>-fgenerics</option></term>
123         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
124         <listitem>
125           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
126           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
127         </listitem>
128       </varlistentry>
129
130         <varlistentry>
131           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
132           <listitem>
133             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
134             option</primary></indexterm> GHC normally imports
135             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
136             rather it didn't, then give it a
137             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
138             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
139             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
140             module namespace is flat, and you must not conflict with
141             any Prelude module.)</para>
142
143             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
144             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
145             Prelude types and values, as specified by the Haskell
146             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
147             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
148             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
149             translation for list comprehensions continues to use
150             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
151
152             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
153             change the handling of certain built-in syntax: see
154             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
155
156           </listitem>
157         </varlistentry>
158
159     </variablelist>
160   </sect1>
161
162 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
163 <!--    included from primitives.sgml  -->
164 <!-- &primitives; -->
165 <sect1 id="primitives">
166   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
167
168 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
169 While you really can use this stuff to write fast code,
170   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
171   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
172   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
173   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
174   about it.</para>
175
176 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
177 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
178 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
179 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
180
181 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
182 work over those types, is held in the file
183 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
184 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
185 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
186
187 <para> Indeed,
188 the result of such processing is part of the description of the 
189  <ulink
190       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
191          Core language</ulink>.
192 So that document is a good place to look for a type-set version.
193 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
194 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
195 we could include the results here in the User Guide.</para>
196
197 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
198   
199 <sect2 id="glasgow-unboxed">
200 <title>Unboxed types
201 </title>
202
203 <para>
204 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
205 </para>
206
207 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
208 that values of that type are represented by a pointer to a heap
209 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
210 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
211 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
212 allocation are involved.
213 </para>
214
215 <para>
216 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
217 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
218 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
219 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
220 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
221 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
222 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
223 know and love&mdash;usually one instruction.
224 </para>
225
226 <para>
227 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
228 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
229 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
230 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
231 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
232 </para>
233
234 <para>
235 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
236 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
237 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
238 a primitive value might be represented by a pointer to a
239 heap-allocated object.  Examples include
240 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
241 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
242 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
243 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
244 represents a primitive value, then it really does point to that value:
245 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
246 other end of the pointer than the primitive value.
247 </para>
248
249 <para>
250 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
251 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
252 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
253 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
254 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
255 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
256 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
257 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
258 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
259 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
260 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
261 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
262 </para>
263
264 <para>
265 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
266 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
267 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
268 </para>
269
270 </sect2>
271
272 <sect2 id="unboxed-tuples">
273 <title>Unboxed Tuples
274 </title>
275
276 <para>
277 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
278 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
279 unboxed tuple looks like this:
280 </para>
281
282 <para>
283
284 <programlisting>
285 (# e_1, ..., e_n #)
286 </programlisting>
287
288 </para>
289
290 <para>
291 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
292 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
293 the same.
294 </para>
295
296 <para>
297 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
298 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
299 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
300 components are put directly into registers or on the stack; the
301 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
302 of the primitive operations listed in this section return unboxed
303 tuples.
304 </para>
305
306 <para>
307 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
308 </para>
309
310 <para>
311
312 <itemizedlist>
313 <listitem>
314
315 <para>
316  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
317 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
318 structures or passed to polymorphic functions.
319
320 </para>
321 </listitem>
322 <listitem>
323
324 <para>
325  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
326 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
327 eg. the following are valid:
328
329
330 <programlisting>
331 f x y = (# x+1, y-1 #)
332 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
333 </programlisting>
334
335
336 but the following are invalid:
337
338
339 <programlisting>
340 f x y = g (# x, y #)
341 g (# x, y #) = x + y
342 </programlisting>
343
344
345 </para>
346 </listitem>
347 <listitem>
348
349 <para>
350  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
351
352
353 <programlisting>
354 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
355 f x = x
356 </programlisting>
357
358
359 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
360
361 </para>
362 </listitem>
363
364 </itemizedlist>
365
366 </para>
367
368 <para>
369 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
370 </para>
371
372 <para>
373 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
374 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
375 </para>
376
377 </sect2>
378 </sect1>
379
380
381 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
382
383 <sect1 id="syntax-extns">
384 <title>Syntactic extensions</title>
385  
386     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
387
388     <sect2 id="hierarchical-modules">
389       <title>Hierarchical Modules</title>
390
391       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
392       names: a module name is allowed to contain a dot
393       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
394       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
395       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
396       more flexible hierarchy of modules.</para>
397
398       <para>This extension has very little impact on the language
399       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
400       qualified, so you can just think of the fully qualified module
401       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
402       means that the full module name must be given after the
403       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
404       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
405       begin</para>
406
407 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
408
409
410       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
411       keyword to save some typing when using qualified names with
412       hierarchical modules.  For example:</para>
413
414 <programlisting>
415 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
416 </programlisting>
417
418       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
419       searches for files.  For a description, see <xref
420       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
421
422       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
423       hierarchically; see the accompanying library documentation.
424       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
425       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
426       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
427       current status of that project.  For more details, see <ulink
428       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
429       Libraries</ulink>.</para>
430
431     </sect2>
432
433     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
434
435 <sect2 id="pattern-guards">
436 <title>Pattern guards</title>
437
438 <para>
439 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
440 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.)
441 </para>
442
443 <para>
444 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
445 lookup operation:
446
447 <programlisting>
448 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
449 </programlisting>
450
451 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
452 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
453 </para>
454
455 <programlisting>
456 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
457 | otherwise  = var1 + var2
458 where
459   m1 = lookup env var1
460   m2 = lookup env var2
461   ok1 = maybeToBool m1
462   ok2 = maybeToBool m2
463   val1 = expectJust m1
464   val2 = expectJust m2
465 </programlisting>
466
467 <para>
468 The auxiliary functions are 
469 </para>
470
471 <programlisting>
472 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
473 maybeToBool (Just x) = True
474 maybeToBool Nothing  = False
475
476 expectJust :: Maybe a -&gt; a
477 expectJust (Just x) = x
478 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
479 </programlisting>
480
481 <para>
482 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
483 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
484 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
485 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
486 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
487 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
488 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
489 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
490 </para>
491
492 <para>
493 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
494 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
495 to write clunky would be to use case expressions:
496 </para>
497
498 <programlisting>
499 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
500   Nothing -&gt; fail
501   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
502     Nothing -&gt; fail
503     Just val2 -&gt; val1 + val2
504 where
505   fail = val1 + val2
506 </programlisting>
507
508 <para>
509 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
510 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
511 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
512 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
513 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
514 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
515 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
516 tends to become more and more indented. 
517 </para>
518
519 <para>
520 Here is how I would write clunky:
521 </para>
522
523 <programlisting>
524 clunky env var1 var1
525   | Just val1 &lt;- lookup env var1
526   , Just val2 &lt;- lookup env var2
527   = val1 + val2
528 ...other equations for clunky...
529 </programlisting>
530
531 <para>
532 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
533 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
534 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
535 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
536 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
537 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
538 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
539 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
540 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
541 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
542 </para>
543
544 <para>
545 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
546 with among the pattern guards.  For example:
547 </para>
548
549 <programlisting>
550 f x | [y] <- x
551     , y > 3
552     , Just z <- h y
553     = ...
554 </programlisting>
555
556 <para>
557 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
558 qualifier list has just one element, a boolean expression.
559 </para>
560 </sect2>
561
562     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
563
564 <sect2 id="mdo-notation">
565 <title>The recursive do-notation
566 </title>
567
568 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
569 "A recursive do for Haskell",
570 Levent Erkok, John Launchbury",
571 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
572 </para>
573 <para>
574 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
575 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
576 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
577 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
578 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
579 </para>
580 <para>
581 Here is a simple (yet contrived) example:
582 </para>
583 <programlisting>
584 import Control.Monad.Fix
585
586 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
587                return xs
588 </programlisting>
589 <para>
590 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
591 </para>
592
593 <para>
594 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
595 </para>
596 <programlisting>
597 class Monad m => MonadFix m where
598    mfix :: (a -> m a) -> m a
599 </programlisting>
600 <para>
601 The function <literal>mfix</literal>
602 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
603 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
604 For details, see the above mentioned reference.
605 </para>
606 <para>
607 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
608 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
609 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
610 </para>
611 <para>
612 There are three important points in using the recursive-do notation:
613 <itemizedlist>
614 <listitem><para>
615 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
616 than <literal>do</literal>).
617 </para></listitem>
618
619 <listitem><para>
620 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
621 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
622 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
623 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
624 </para></listitem>
625
626 <listitem><para>
627 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
628 </para></listitem>
629 </itemizedlist>
630 </para>
631
632 <para>
633 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
634 contains up to date information on recursive monadic bindings.
635 </para>
636
637 <para>
638 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
639 of the existing documents) used the name
640 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
641 This name is not supported by GHC.
642 </para>
643
644 </sect2>
645
646
647    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
648
649   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
650     <title>Parallel List Comprehensions</title>
651     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
652     </indexterm>
653     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
654     </indexterm>
655
656     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
657     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
658     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
659     extend this to include the zipWith family.</para>
660
661     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
662     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
663     example, the following zips together two lists:</para>
664
665 <programlisting>
666    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
667 </programlisting>
668
669     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
670     zip, in that the resulting list will have the same length as the
671     shortest branch.</para>
672
673     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
674     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
675
676     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
677
678 <programlisting>
679    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
680        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
681        ... 
682    ] 
683 </programlisting>
684
685     <para>This will be translated to: </para>
686
687 <programlisting>
688    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
689                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
690                                          ... 
691    ] 
692 </programlisting>
693
694     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
695     branches.</para>
696
697   </sect2>
698
699 <sect2 id="rebindable-syntax">
700 <title>Rebindable syntax</title>
701
702
703       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
704       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
705       with a home-grown version, for example.</para>
706
707             <para>You may want to define your own numeric class
708             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
709             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
710             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
711             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
712             the following pieces of built-in syntax to refer to
713             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
714             versions:</para>
715
716             <itemizedlist>
717               <listitem>
718                 <para>Integer and fractional literals mean
719                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
720                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
721                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
722                 patterns. </para>
723                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
724                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
725               </listitem>
726
727               <listitem>
728                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
729                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
730                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
731               </listitem>
732
733               <listitem>
734                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
735                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
736                 but the necessary subtraction uses whatever
737                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
738                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
739               </listitem>
740
741               <listitem>
742           <para>"Do" notation is translated using whatever
743               functions <literal>(>>=)</literal>,
744               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
745               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
746               versions).  List comprehensions, and parallel array
747               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
748             </itemizedlist>
749
750              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
751              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
752              must have the appropriate types, namely:
753              <screen>
754                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
755                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
756                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
757                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
758                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
759                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
760                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
761                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
762              </screen>
763              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
764              is up to you.)
765              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
766              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
767              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
768
769 </sect2>
770 </sect1>
771
772
773 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
774 <sect1 id="type-extensions">
775 <title>Type system extensions</title>
776
777 <sect2 id="nullary-types">
778 <title>Data types with no constructors</title>
779
780 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
781 a data type with no constructors.  For example:</para>
782
783 <programlisting>
784   data S      -- S :: *
785   data T a    -- T :: * -> *
786 </programlisting>
787
788 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
789 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
790 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
791 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
792
793 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
794 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
795 </sect2>
796
797 <sect2 id="infix-tycons">
798 <title>Infix type constructors</title>
799
800 <para>
801 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
802 like expressions.  More specifically:
803 <itemizedlist>
804 <listitem><para>
805   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
806   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
807   </para></listitem>
808 <listitem><para>
809   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
810   </para></listitem>
811 <listitem><para>
812   Back-quotes work
813   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
814   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
815   </para></listitem>
816 <listitem><para>
817   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
818   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
819   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
820 <screen>
821   infixl 7 T, :*:
822 </screen>
823   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
824   and similarly for <literal>:*:</literal>.
825   <literal>Int `a` Bool</literal>.
826   </para></listitem>
827 <listitem><para>
828   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
829   </para></listitem>
830 <listitem><para>
831   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
832 <screen>
833   data a :*: b = Foo a b
834   type a :+: b = Either a b
835 </screen>
836   </para></listitem>
837 <listitem><para>
838   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
839   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
840   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
841   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
842   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
843   lists.  So for now we just exclude them.
844   </para></listitem>
845
846 </itemizedlist>
847 </para>
848 </sect2>
849
850 <sect2 id="sec-kinding">
851 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
852
853 <para>
854 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
855 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
856 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
857 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
858 John Hughes had to define the data type:
859 <Screen>
860      data Set cxt a = Set [a]
861                     | Unused (cxt a -> ())
862 </Screen>
863 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
864 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
865 </para>
866 <para>
867 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
868 a type variable is explicitly bound.  Namely:
869 <itemizedlist>
870 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
871 <Screen>
872   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
873 </Screen></para></listitem>
874 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
875 <Screen>
876   type T (f :: * -> *) = f Int
877 </Screen></para></listitem>
878 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
879 <Screen>
880   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
881 </Screen></para></listitem>
882 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
883 <Screen>
884   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
885 </Screen></para></listitem>
886 </itemizedlist>
887 </para>
888
889 <para>
890 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
891 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
892 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
893 single lexeme in Haskell.
894 </para>
895
896 <para>
897 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
898 as well.  Thus:
899 <Screen>
900    f :: (Int :: *) -> Int
901    g :: forall a. a -> (a :: *)
902 </Screen>
903 The syntax is
904 <Screen>
905    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
906 </Screen>
907 The parentheses are required.
908 </para>
909 </sect2>
910
911
912 <sect2 id="class-method-types">
913 <title>Class method types
914 </title>
915 <para>
916 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
917 class type variable, thus:
918 <programlisting>
919   class Seq s a where
920     fromList :: [a] -> s a
921     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
922 </programlisting>
923 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
924 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
925 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
926 </para>
927 <para>
928 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
929 </para>
930
931 </sect2>
932
933 <sect2 id="multi-param-type-classes">
934 <title>Multi-parameter type classes
935 </title>
936
937 <para>
938 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
939 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
940 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
941 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
942 Jones, Erik Meijer).
943 </para>
944
945
946 <sect3 id="type-restrictions">
947 <title>Types</title>
948
949 <para>
950 GHC imposes the following restrictions on the form of a qualified
951 type, whether declared in a type signature
952 or inferred. Consider the type:
953
954 <programlisting>
955   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
956 </programlisting>
957
958 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
959 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
960 explicit source-language type signature are universally quantified,
961 except for the class type variables in a class declaration.  However,
962 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
963 </para>
964
965 <para>
966
967 <OrderedList>
968 <listitem>
969
970 <para>
971  <emphasis>Each universally quantified type variable
972 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
973
974 A type variable is "reachable" if it it is functionally dependent
975 (see <xref linkend="functional-dependencies">)
976 on the type variables free in <literal>type</literal>.
977 The reason for this is that a value with a type that does not obey
978 this restriction could not be used without introducing
979 ambiguity. 
980 Here, for example, is an illegal type:
981
982
983 <programlisting>
984   forall a. Eq a => Int
985 </programlisting>
986
987
988 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
989 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
990 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
991 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
992 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
993 get any more information about <literal>tv</literal>.
994
995 </para>
996 </listitem>
997 <listitem>
998
999 <para>
1000  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1001 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1002
1003 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1004 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1005
1006
1007 <programlisting>
1008   forall a. C a b => burble
1009 </programlisting>
1010
1011
1012 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1013 mention <literal>a</literal>:
1014
1015
1016 <programlisting>
1017   forall a. Eq b => burble
1018 </programlisting>
1019
1020
1021 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1022 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1023 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1024 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1025 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1026 territory free in case we need it later.
1027
1028 </para>
1029 </listitem>
1030
1031 </OrderedList>
1032
1033 </para>
1034
1035
1036 <para>
1037 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1038 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
1039 are perfectly OK
1040 </para>
1041
1042 <para>
1043
1044 <programlisting>
1045   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
1046   g :: Eq [a] => ...
1047 </programlisting>
1048
1049 </para>
1050
1051 <para>
1052 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
1053 </para>
1054
1055 </sect3>
1056
1057 <sect3>
1058 <title>Class declarations</title>
1059
1060 <para>
1061
1062 <OrderedList>
1063 <listitem>
1064
1065 <para>
1066  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1067
1068
1069 <programlisting>
1070   class Collection c a where
1071     union :: c a -> c a -> c a
1072     ...etc.
1073 </programlisting>
1074
1075
1076
1077 </para>
1078 </listitem>
1079 <listitem>
1080
1081 <para>
1082  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1083 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1084 this is OK:
1085
1086
1087 <programlisting>
1088   class C a where {
1089     op :: D b => a -> b -> b
1090   }
1091
1092   class C a => D a where { ... }
1093 </programlisting>
1094
1095
1096 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1097 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1098 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1099
1100 </para>
1101 </listitem>
1102 <listitem>
1103
1104 <para>
1105  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1106 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1107 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1108
1109
1110 <programlisting>
1111   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1112     ...
1113
1114   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1115     lift :: m a -> (t m) a
1116 </programlisting>
1117
1118
1119 </para>
1120 </listitem>
1121
1122 <listitem>
1123
1124 <para>
1125  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1126 mentioned in <xref linkend="type-restrictions">)
1127 from the free varibles of each method type
1128 </emphasis>.  For example:
1129
1130
1131 <programlisting>
1132   class Coll s a where
1133     empty  :: s
1134     insert :: s -> a -> s
1135 </programlisting>
1136
1137
1138 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1139 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1140 types, and has the same motivation.
1141
1142 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1143 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1144
1145
1146 <programlisting>
1147   class Coll s a where
1148     empty  :: s a
1149     insert :: s a -> a -> s a
1150 </programlisting>
1151
1152
1153 which makes the connection between the type of a collection of
1154 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1155 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1156 class like this:
1157
1158
1159 <programlisting>
1160   class CollE s where
1161     empty  :: s
1162
1163   class CollE s => Coll s a where
1164     insert :: s -> a -> s
1165 </programlisting>
1166
1167
1168 </para>
1169 </listitem>
1170
1171 </OrderedList>
1172
1173 </para>
1174
1175 </sect3>
1176
1177 <sect3 id="instance-decls">
1178 <title>Instance declarations</title>
1179
1180 <para>
1181
1182 <OrderedList>
1183 <listitem>
1184
1185 <para>
1186  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1187 declarations
1188
1189
1190 <programlisting>
1191   instance context1 => C type1 where ...
1192   instance context2 => C type2 where ...
1193 </programlisting>
1194
1195
1196 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1197
1198 However, if you give the command line option
1199 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1200 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1201 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1202 if another instance declaration also applies, either now or later.
1203
1204 <itemizedlist>
1205 <listitem>
1206
1207 <para>
1208  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1209 </para>
1210 </listitem>
1211 <listitem>
1212
1213 <para>
1214  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1215 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1216 </para>
1217 </listitem>
1218 </itemizedlist>
1219 Notice that these rules
1220 <itemizedlist>
1221 <listitem>
1222
1223 <para>
1224  make it clear which instance decl to use
1225 (pick the most specific one that matches)
1226
1227 </para>
1228 </listitem>
1229 <listitem>
1230
1231 <para>
1232  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1233 Reason: you can pick which instance decl
1234 "matches" based on the type.
1235 </para>
1236 </listitem>
1237
1238 </itemizedlist>
1239 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1240 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1241 <programlisting>
1242   instance C (Int,a) where ...
1243   instance C (a,Bool) where ...
1244 </programlisting>
1245 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1246 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1247 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1248 </para>
1249 <para>
1250 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1251 <programlisting>
1252   class C a where { op :: a -> a }
1253   instance C [Int] where ...
1254   instance C a => C [a] where ...
1255   
1256   f :: C b => [b] -> [b]
1257   f x = op x
1258 </programlisting>
1259 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1260 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1261 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1262 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1263 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1264 the problem of subsequent instantiations.
1265 </para>
1266 <para>
1267 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1268 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1269 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1270 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1271 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1272 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1273 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1274 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1275
1276 </para>
1277 </listitem>
1278 <listitem>
1279
1280 <para>
1281  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1282 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1283 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1284 example, these are OK:
1285
1286
1287 <programlisting>
1288   instance C Int a where ...
1289
1290   instance D (Int, Int) where ...
1291
1292   instance E [[a]] where ...
1293 </programlisting>
1294
1295
1296 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1297 For example, this is OK:
1298
1299
1300 <programlisting>
1301   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1302 </programlisting>
1303
1304 See <xref linkend="undecidable-instances"> for an experimental
1305 extension to lift this restriction.
1306 </para>
1307 </listitem>
1308 <listitem>
1309
1310 <para>
1311  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1312 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1313 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1314
1315
1316 <programlisting>
1317   type Point = (Int,Int)
1318   instance C Point   where ...
1319   instance C [Point] where ...
1320 </programlisting>
1321
1322
1323 is legal.  However, if you added
1324
1325
1326 <programlisting>
1327   instance C (Int,Int) where ...
1328 </programlisting>
1329
1330
1331 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1332 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1333 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1334
1335
1336 <programlisting>
1337   type P a = [[a]]
1338   instance Monad P where ...
1339 </programlisting>
1340
1341
1342 This design decision is independent of all the others, and easily
1343 reversed, but it makes sense to me.
1344
1345 </para>
1346 </listitem>
1347 <listitem>
1348
1349 <para>
1350 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1351 be type variables</emphasis>. Thus
1352
1353
1354 <programlisting>
1355 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1356 </programlisting>
1357
1358
1359 is OK, but
1360
1361
1362 <programlisting>
1363 instance C Int b => Foo b where ...
1364 </programlisting>
1365
1366
1367 is not OK.  See <xref linkend="undecidable-instances"> for an experimental
1368 extension to lift this restriction.
1369
1370
1371
1372 </para>
1373 </listitem>
1374
1375 </OrderedList>
1376
1377 </para>
1378
1379 </sect3>
1380
1381 </sect2>
1382
1383 <sect2 id="undecidable-instances">
1384 <title>Undecidable instances</title>
1385
1386 <para>The rules for instance declarations state that:
1387 <itemizedlist>
1388 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1389 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1390 </para></listitem>
1391 <listitem><para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1392 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1393 </para></listitem>
1394 </itemizedlist>
1395 These restrictions ensure that 
1396 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1397 constructor.  For example, the following would make the type checker
1398 loop if it wasn't excluded:
1399 <programlisting>
1400   instance C a => C a where ...
1401 </programlisting>
1402 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1403 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1404 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1405 something more specific does not:
1406
1407
1408 <programlisting>
1409   instance C a where
1410     op = ... -- Default
1411 </programlisting>
1412
1413
1414 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1415 effect of a "class synonym":
1416
1417
1418 <programlisting>
1419   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1420
1421   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1422 </programlisting>
1423
1424
1425 This allows you to write shorter signatures:
1426
1427
1428 <programlisting>
1429   f :: C a => ...
1430 </programlisting>
1431
1432
1433 instead of
1434
1435
1436 <programlisting>
1437   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1438 </programlisting>
1439
1440
1441 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1442 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1443 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1444 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1445 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1446 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1447 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1448 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1449 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1450 </para>
1451 <para>
1452 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1453 allowing these idioms interesting idioms.  
1454 </para>
1455 </sect2>
1456
1457 <sect2 id="implicit-parameters">
1458 <title>Implicit parameters
1459 </title>
1460
1461 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1462 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1463 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1464 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1465 Boston, Jan 2000.
1466 </para>
1467 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1468 <para>
1469 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1470 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1471 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1472 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1473 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1474 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1475 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1476 only support static scoping of variables.
1477 </para>
1478 <para>
1479 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1480 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1481 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1482 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1483 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1484 of type <literal>t'</literal>". For
1485 example, the following expresses the type of a sort function,
1486 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1487 <programlisting>
1488   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1489 </programlisting>
1490 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1491 </para>
1492 <para>
1493 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1494 where <literal>x</literal> is
1495 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1496 Use of this construct also introduces a new
1497 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1498 For example, the following definition
1499 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1500 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1501 <programlisting>
1502   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1503
1504   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1505   sort    = sortBy ?cmp
1506 </programlisting>
1507 </para>
1508
1509 <sect3>
1510 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1511 <para>
1512 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1513 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1514 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1515 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1516 to pick out the least value in a list:
1517 <programlisting>
1518   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1519   least xs = fst (sort xs)
1520 </programlisting>
1521 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1522 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1523 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1524 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1525 propagate them.
1526 </para>
1527 <para>
1528 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1529 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1530 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1531 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1532 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1533 class constraints.
1534 </para>
1535
1536 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1537 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1538 <programlisting>
1539   class (?x::Int) => C a where ...
1540   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1541 </programlisting>
1542 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1543 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1544 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1545 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1546 <para>
1547 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
1548 <programlisting>
1549    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
1550    f n = n + length ?x
1551
1552    g :: (Read a, Show a) => String -> String
1553    g s = show (read s)
1554 </programlisting>
1555 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
1556 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
1557 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
1558 </para>
1559 </sect3>
1560
1561 <sect3>
1562 <title>Implicit-parameter bindings</title>
1563
1564 <para>
1565 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
1566 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
1567 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1568 <literal>cmp</literal>.
1569 <programlisting>
1570   min :: [a] -> a
1571   min  = let ?cmp = (<=) in least
1572 </programlisting>
1573 </para>
1574 <para>
1575 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
1576 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
1577 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
1578 or a <literal>where</literal> clause.
1579 Note the following points:
1580 <itemizedlist>
1581 <listitem><para>
1582 An implicit-parameter binding group must be a
1583 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1584 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1585 neither polymorphic or recursive.  
1586 </para></listitem>
1587 <listitem><para>
1588 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1589 single <literal>let</literal>
1590 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1591 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
1592 </para></listitem>
1593
1594 <listitem><para>
1595 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1596 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
1597 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1598 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
1599 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
1600 the meaning of the program.
1601 For example, consider:
1602 <programlisting>
1603   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
1604 </programlisting>
1605 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
1606 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
1607 <programlisting>
1608   f :: (?x::Int) => Int -> Int
1609 </programlisting>
1610 </para></listitem>
1611 </itemizedlist>
1612 </para>
1613
1614 </sect3>
1615 </sect2>
1616
1617 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1618 <title>Linear implicit parameters
1619 </title>
1620 <para>
1621 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1622 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1623 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1624 </para>
1625 <itemizedlist>
1626 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1627 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1628 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1629 </itemizedlist>
1630
1631 <para>
1632 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1633 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1634 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1635 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1636 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1637 </para>
1638 <para>
1639 For example:
1640 <programlisting>
1641     import GHC.Exts( Splittable )
1642
1643     data NameSupply = ...
1644     
1645     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1646     newName :: NameSupply -> Name
1647
1648     instance Splittable NameSupply where
1649         split = splitNS
1650
1651
1652     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1653     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1654                     where
1655                       x'   = newName %ns
1656                       env' = extend env x x'
1657     ...more equations for f...
1658 </programlisting>
1659 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1660 <itemizedlist>
1661 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1662 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1663 </itemizedlist>
1664 </para>
1665 <para>
1666 So the translation done by the type checker makes
1667 the parameter explicit:
1668 <programlisting>
1669     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1670     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1671                        where
1672                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1673                          x' = newName ns2
1674                          env = extend env x x'
1675 </programlisting>
1676 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1677 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1678 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1679 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1680 <programlisting>
1681         class Splittable a where
1682           split :: a -> (a,a)
1683 </programlisting>
1684 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1685 split for name supplies.  But we can simply write
1686 <programlisting>
1687         g x = (x, %ns, %ns)
1688 </programlisting>
1689 and GHC will infer
1690 <programlisting>
1691         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1692 </programlisting>
1693 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1694 <literal>GHC.Exts</literal>.
1695 </para>
1696 <para>
1697 Other points:
1698 <itemizedlist>
1699 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1700 are entirely distinct implicit parameters: you 
1701   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1702 </listitem>
1703
1704 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1705
1706 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1707   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1708 </itemizedlist>
1709 </para>
1710
1711 <sect3><title>Warnings</title>
1712
1713 <para>
1714 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1715 Consider the example above:
1716 <programlisting>
1717     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1718     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1719                     where
1720                       x'   = newName %ns
1721                       env' = extend env x x'
1722 </programlisting>
1723 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1724 usually a harmless thing to do, we get:
1725 <programlisting>
1726     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1727     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1728                     where
1729                       env' = extend env x (newName %ns)
1730 </programlisting>
1731 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1732 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1733 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1734 the beta rule.
1735 </para>
1736 <para>
1737 Well, this is an experimental change.  With implicit
1738 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1739 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1740 Haskell programs without knowing their typing.
1741 </para>
1742
1743 </sect3>
1744
1745 <sect3><title>Recursive functions</title>
1746 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1747 Consider
1748 <programlisting>
1749         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1750         foo 0 = []
1751         foo n = %x : foo (n-1)
1752 </programlisting>
1753 where T is some type in class Splittable.</para>
1754 <para>
1755 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1756 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1757 </para><para>
1758 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1759 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1760 translated term, where the implicit param is made explicit:
1761 <programlisting>
1762         foo x 0 = []
1763         foo x n = let (x1,x2) = split x
1764                   in x1 : foo x2 (n-1)
1765 </programlisting>
1766 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1767 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1768 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1769 work.  So the translation becomes
1770 <programlisting>
1771         foo x = let
1772                   foom 0 = []
1773                   foom n = x : foom (n-1)
1774                 in
1775                 foom
1776 </programlisting>
1777 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1778 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1779 Yikes!
1780 </para><para>
1781 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1782 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1783 </para>
1784 </sect3>
1785
1786 </sect2>
1787
1788 <sect2 id="functional-dependencies">
1789 <title>Functional dependencies
1790 </title>
1791
1792 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1793 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1794 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1795 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1796 .
1797 </para>
1798 <para>
1799 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1800 class declaration;  e.g. 
1801 <programlisting>
1802   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1803
1804   class Foo a b c | a b -> c where ...
1805 </programlisting>
1806 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1807 </para>
1808 </sect2>
1809
1810
1811 <sect2 id="universal-quantification">
1812 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1813 </title>
1814
1815 <para>
1816 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1817 allows us to say exactly what this means.  For example:
1818 </para>
1819 <para>
1820 <programlisting>
1821         g :: b -> b
1822 </programlisting>
1823 means this:
1824 <programlisting>
1825         g :: forall b. (b -> b)
1826 </programlisting>
1827 The two are treated identically.
1828 </para>
1829
1830 <para>
1831 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1832 explicit universal quantification in
1833 types. 
1834 For example, all the following types are legal:
1835 <programlisting>
1836     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1837     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1838
1839     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1840     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1841
1842     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1843 </programlisting>
1844 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1845 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1846 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1847 is implicitly added by Haskell.
1848 </para>
1849 <para>
1850 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1851 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1852 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1853 </para>
1854 <para>
1855 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1856 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1857 </para>
1858 <para>
1859 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1860 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1861 that restriction has now been lifted.)
1862 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1863 including an operational type class context, is legal:
1864 <itemizedlist>
1865 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1866 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1867 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1868 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1869 field type signatures.</para> </listitem>
1870 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1871 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1872 </itemizedlist>
1873 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1874 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1875 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1876 <programlisting>
1877     x1 :: [forall a. a->a]
1878     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1879     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1880 </programlisting>
1881 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1882 a type variable any more!
1883 </para>
1884
1885
1886 <sect3 id="univ">
1887 <title>Examples
1888 </title>
1889
1890 <para>
1891 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1892 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1893 </para>
1894
1895 <para>
1896
1897 <programlisting>
1898 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1899
1900 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1901                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1902                         }
1903
1904 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1905 </programlisting>
1906
1907 </para>
1908
1909 <para>
1910 The constructors have rank-2 types:
1911 </para>
1912
1913 <para>
1914
1915 <programlisting>
1916 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1917 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1918                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1919                   -> MonadT m
1920 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1921 </programlisting>
1922
1923 </para>
1924
1925 <para>
1926 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1927 explicit context.  For example in the first argument of the
1928 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1929 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1930 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1931 mentioned in the type quantified over.
1932 </para>
1933
1934 <para>
1935 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1936 types too.  So if you write this:
1937
1938 <programlisting>
1939   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1940 </programlisting>
1941
1942 it's just as if you had written this:
1943
1944 <programlisting>
1945   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1946 </programlisting>
1947
1948 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1949 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1950 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1951 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1952 </para>
1953
1954 <para>
1955 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1956 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1957 </para>
1958
1959 <para>
1960
1961 <programlisting>
1962     a1 :: T Int
1963     a1 = T1 (\xy->x) 3
1964     
1965     a2, a3 :: Swizzle
1966     a2 = MkSwizzle sort
1967     a3 = MkSwizzle reverse
1968     
1969     a4 :: MonadT Maybe
1970     a4 = let r x = Just x
1971              b m k = case m of
1972                        Just y -> k y
1973                        Nothing -> Nothing
1974          in
1975          MkMonad r b
1976
1977     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1978     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1979 </programlisting>
1980
1981 </para>
1982
1983 <para>
1984 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1985 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1986 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1987 </para>
1988
1989 <para>
1990 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1991 polymorphic types.  For example:
1992 </para>
1993
1994 <para>
1995
1996 <programlisting>
1997     f :: T a -> a -> (a, Char)
1998     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1999
2000     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2001     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2002
2003     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2004     h m [] = return m []
2005     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2006                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2007                  return m (y:ys)
2008 </programlisting>
2009
2010 </para>
2011
2012 <para>
2013 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2014 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2015 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2016 matching.
2017 </para>
2018 </sect3>
2019
2020 <sect3>
2021 <title>Type inference</title>
2022
2023 <para>
2024 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2025 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2026 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2027 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2028 </para>
2029 <para>
2030 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2031 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2032 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2033 </para>
2034 <para>
2035 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2036 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2037 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2038 <programlisting>
2039      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2040 </programlisting>
2041 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2042 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2043 <programlisting>
2044      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2045 </programlisting>
2046 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2047 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2048 one can give a type signature for the function itself:
2049 <programlisting>
2050      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2051      h f = (f True, f 'c')
2052 </programlisting>
2053 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2054 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2055 <programlisting>
2056     f :: T a -> a -> (a, Char)
2057     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2058 </programlisting>
2059 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2060 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2061 it needs to know.
2062 </para>
2063
2064 </sect3>
2065
2066
2067 <sect3 id="implicit-quant">
2068 <title>Implicit quantification</title>
2069
2070 <para>
2071 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2072 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2073 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2074 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2075 equivalent:
2076 <programlisting>
2077   f :: a -> a
2078   f :: forall a. a -> a
2079
2080   g (x::a) = let
2081                 h :: a -> b -> b
2082                 h x y = y
2083              in ...
2084   g (x::a) = let
2085                 h :: forall b. a -> b -> b
2086                 h x y = y
2087              in ...
2088 </programlisting>
2089 </para>
2090 <para>
2091 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2092 point.  For example:
2093 <programlisting>
2094   f :: (a -> a) -> Int
2095            -- MEANS
2096   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2097            -- NOT
2098   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2099
2100
2101   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2102            -- MEANS the illegal type
2103   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2104            -- NOT
2105   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2106 </programlisting>
2107 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2108 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2109 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2110 for rank-2 types.
2111 </para>
2112 </sect3>
2113 </sect2>
2114
2115 <sect2 id="type-synonyms">
2116 <title>Liberalised type synonyms 
2117 </title>
2118
2119 <para>
2120 Type synonmys are like macros at the type level, and
2121 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2122 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
2123 <itemizedlist>
2124 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2125 in a type synonym, thus:
2126 <programlisting>
2127   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2128
2129   f :: Discard a
2130   f x y = (x, show y)
2131
2132   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
2133   g f = f Int True
2134 </programlisting>
2135 </para>
2136 </listitem>
2137
2138 <listitem><para>
2139 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
2140 <programlisting>
2141   type Pr = (# Int, Int #)
2142
2143   h :: Int -> Pr
2144   h x = (# x, x #)
2145 </programlisting>
2146 </para></listitem>
2147
2148 <listitem><para>
2149 You can apply a type synonym to a forall type:
2150 <programlisting>
2151   type Foo a = a -> a -> Bool
2152  
2153   f :: Foo (forall b. b->b)
2154 </programlisting>
2155 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2156 <programlisting>
2157   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2158 </programlisting>
2159 </para></listitem>
2160
2161 <listitem><para>
2162 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2163 <programlisting>
2164   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2165   type Id x = x
2166   
2167   foo :: Generic Id []
2168 </programlisting>
2169 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2170 <programlisting>
2171   foo :: forall x. x -> [x]
2172 </programlisting>
2173 </para></listitem>
2174
2175 </itemizedlist>
2176 </para>
2177
2178 <para>
2179 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2180 could be changed.)
2181 </para>
2182 <para>
2183 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2184 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2185 <itemizedlist>
2186 <listitem><para>
2187 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2188 </para></listitem>
2189 <listitem><para>
2190 Unboxed tuple on left of an arrow.
2191 </para></listitem>
2192 <listitem><para>
2193 Partially-applied type synonym.
2194 </para></listitem>
2195 </itemizedlist>
2196 So, for example,
2197 this will be rejected:
2198 <programlisting>
2199   type Pr = (# Int, Int #)
2200
2201   h :: Pr -> Int
2202   h x = ...
2203 </programlisting>
2204 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2205 </para>
2206 </sect2>
2207
2208 <sect2 id="hoist">
2209 <title>For-all hoisting</title>
2210 <para>
2211 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2212 end of an arrow, thus:
2213 <programlisting>
2214   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2215
2216   g :: Int -> Discard Int
2217   g x y z = x+y
2218 </programlisting>
2219 Simply expanding the type synonym would give
2220 <programlisting>
2221   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2222 </programlisting>
2223 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2224 <programlisting>
2225   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2226 </programlisting>
2227 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2228 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2229 performs the transformation:</emphasis>
2230 <programlisting>
2231   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2232 ==>
2233   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2234 </programlisting>
2235 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2236 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2237 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2238 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2239 <programlisting>
2240   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2241 </programlisting>
2242 </para>
2243 <para>
2244 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2245 example:
2246 <programlisting>
2247   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2248   g :: Foo (Foo Int)
2249 </programlisting>
2250 means
2251 <programlisting>
2252   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2253 </programlisting>
2254 </para>
2255 </sect2>
2256
2257
2258 <sect2 id="existential-quantification">
2259 <title>Existentially quantified data constructors
2260 </title>
2261
2262 <para>
2263 The idea of using existential quantification in data type declarations
2264 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2265 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2266 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2267 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2268 </para>
2269
2270 <para>
2271
2272 <programlisting>
2273   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2274            | Nil
2275 </programlisting>
2276
2277 </para>
2278
2279 <para>
2280 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2281 </para>
2282
2283 <para>
2284
2285 <programlisting>
2286   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2287   Nil   :: Foo
2288 </programlisting>
2289
2290 </para>
2291
2292 <para>
2293 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2294 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2295 For example, the following expression is fine:
2296 </para>
2297
2298 <para>
2299
2300 <programlisting>
2301   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2302 </programlisting>
2303
2304 </para>
2305
2306 <para>
2307 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2308 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2309 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2310 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2311 </para>
2312
2313 <para>
2314 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2315 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2316 </para>
2317
2318 <para>
2319
2320 <programlisting>
2321   f (MkFoo val fn) = ???
2322 </programlisting>
2323
2324 </para>
2325
2326 <para>
2327 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2328 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2329 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2330 </para>
2331
2332 <para>
2333
2334 <programlisting>
2335   f :: Foo -> Bool
2336   f (MkFoo val fn) = fn val
2337 </programlisting>
2338
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342 What this allows us to do is to package heterogenous values
2343 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2344 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2345 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2346 </para>
2347
2348 <sect3 id="existential">
2349 <title>Why existential?
2350 </title>
2351
2352 <para>
2353 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2354 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2355 </para>
2356
2357 <para>
2358
2359 <programlisting>
2360   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2361 </programlisting>
2362
2363 </para>
2364
2365 <para>
2366 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2367 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2368 adding a new existential quantification construct.
2369 </para>
2370
2371 </sect3>
2372
2373 <sect3>
2374 <title>Type classes</title>
2375
2376 <para>
2377 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2378 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2379 </para>
2380
2381 <para>
2382
2383 <programlisting>
2384 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2385          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2386 </programlisting>
2387
2388 </para>
2389
2390 <para>
2391 The two constructors have the types you'd expect:
2392 </para>
2393
2394 <para>
2395
2396 <programlisting>
2397 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2398 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2399 </programlisting>
2400
2401 </para>
2402
2403 <para>
2404 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2405 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2406 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2407 So this program is legal:
2408 </para>
2409
2410 <para>
2411
2412 <programlisting>
2413   f :: Baz -> String
2414   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2415                | otherwise = "No"
2416   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2417 </programlisting>
2418
2419 </para>
2420
2421 <para>
2422 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2423 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2424 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2425 extract it on pattern matching.
2426 </para>
2427
2428 <para>
2429 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2430 universal quantification earlier.
2431 </para>
2432
2433 </sect3>
2434
2435 <sect3>
2436 <title>Restrictions</title>
2437
2438 <para>
2439 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2440 constructors can be use.
2441 </para>
2442
2443 <para>
2444
2445 <itemizedlist>
2446 <listitem>
2447
2448 <para>
2449  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2450 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2451 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2452 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2453
2454
2455 <programlisting>
2456 f1 (MkFoo a f) = a
2457 </programlisting>
2458
2459
2460 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2461 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2462 ask what type <function>f1</function> has:
2463
2464
2465 <programlisting>
2466   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2467 </programlisting>
2468
2469
2470 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2471 this:
2472
2473
2474 <programlisting>
2475   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2476 </programlisting>
2477
2478
2479 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2480
2481
2482 <programlisting>
2483   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2484 </programlisting>
2485
2486
2487 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2488 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2489 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2490
2491
2492 </para>
2493 </listitem>
2494 <listitem>
2495
2496 <para>
2497 You can't pattern-match on an existentially quantified
2498 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2499 bindings. So this is illegal:
2500
2501
2502 <programlisting>
2503   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2504 </programlisting>
2505
2506 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2507
2508 <programlisting>
2509   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2510 </programlisting>
2511
2512 In general, you can only pattern-match
2513 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2514 in the patterns of a function definition.
2515
2516 The reason for this restriction is really an implementation one.
2517 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2518 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2519 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2520 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2521 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2522 annoying it is.
2523
2524 </para>
2525 </listitem>
2526 <listitem>
2527
2528 <para>
2529 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2530 declarations.  So this is illegal:
2531
2532
2533 <programlisting>
2534   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2535 </programlisting>
2536
2537
2538 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2539 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2540 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2541 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2542 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2543 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2544 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2545 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2546 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2547 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2548 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2549
2550
2551 </para>
2552 </listitem>
2553 <listitem>
2554
2555 <para>
2556  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2557 data type with existentially quantified data constructors.
2558
2559 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2560
2561 <programlisting>
2562 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2563 </programlisting>
2564
2565 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2566 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2567
2568 <programlisting>
2569 instance Eq T where
2570   (MkT a) == (MkT b) = ???
2571 </programlisting>
2572
2573 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2574 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2575 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2576 declarations.  Define your own instances!
2577 </para>
2578 </listitem>
2579
2580 </itemizedlist>
2581
2582 </para>
2583
2584 </sect3>
2585
2586 </sect2>
2587
2588 <sect2 id="scoped-type-variables">
2589 <title>Scoped type variables
2590 </title>
2591
2592 <para>
2593 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2594 variable</emphasis>.  For example
2595 </para>
2596
2597 <para>
2598
2599 <programlisting>
2600 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2601            where
2602               ys :: [a]
2603               ys = reverse xs
2604 </programlisting>
2605
2606 </para>
2607
2608 <para>
2609 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2610 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2611 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2612 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2613 </para>
2614
2615 <para>
2616  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2617 type signatures.  The two can be used independently or together.
2618 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2619 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2620 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2621 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2622 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2623 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2624 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2625 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2626 it becomes possible to do so.
2627 </para>
2628
2629 <para>
2630 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2631 implementations differ from the specification below, those differences
2632 are noted.
2633 </para>
2634
2635 <para>
2636 So much for the basic idea.  Here are the details.
2637 </para>
2638
2639 <sect3>
2640 <title>What a pattern type signature means</title>
2641 <para>
2642 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2643 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2644 of the same name mean the same type.  For example:
2645 <programlisting>
2646   f :: [Int] -> Int -> Int
2647   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2648 </programlisting>
2649 The pattern type signatures on the left hand side of
2650 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2651 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2652 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2653 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2654 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2655 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2656 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2657 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2658 For example, all of these are legal:</para>
2659
2660 <programlisting>
2661   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2662
2663   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2664
2665   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2666
2667   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2668         in k x                  -- environment
2669
2670   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2671   k (x::Int) False = ...
2672
2673   w :: [b] -> [b]
2674   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2675 </programlisting>
2676
2677 </sect3>
2678
2679 <sect3>
2680 <title>Scope and implicit quantification</title>
2681
2682 <para>
2683
2684 <itemizedlist>
2685 <listitem>
2686
2687 <para>
2688 All the type variables mentioned in a pattern,
2689 that are not already in scope,
2690 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2691 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2692 For example:
2693 <programlisting>
2694   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2695              in
2696              g (x,True)
2697 </programlisting>
2698 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2699 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2700 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2701 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2702 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2703 </para>
2704 </listitem>
2705
2706 <listitem>
2707 <para>
2708 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2709 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2710 <programlisting>
2711   let
2712     f (x::a) = <...rhs of f...>
2713     (p::b, q::b) = (1,2)
2714   in <...body of let...>
2715 </programlisting>
2716 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2717 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2718 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2719 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2720 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2721 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2722 </para>
2723 </listitem>
2724
2725
2726 <listitem>
2727 <para>
2728 The type variables bound by the pattern may be 
2729 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2730 type signatures anywhere within their scope.
2731
2732 </para>
2733 </listitem>
2734
2735 <listitem>
2736 <para>
2737  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2738 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2739
2740 </para>
2741 </listitem>
2742
2743 <listitem>
2744
2745 <para>
2746  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2747 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2748
2749 <programlisting>
2750   f :: a -> a
2751   f x = x::a
2752 </programlisting>
2753
2754 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2755 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2756 and that is an incorrect typing.
2757
2758 </para>
2759 </listitem>
2760
2761 <listitem>
2762 <para>
2763 The pattern type signature is a monotype:
2764 </para>
2765
2766 <itemizedlist>
2767 <listitem> <para> 
2768 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2769 </para> </listitem>
2770
2771 <listitem>  <para> 
2772 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2773 not to type schemes.
2774 </para> </listitem>
2775
2776 <listitem>  <para> 
2777 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2778 ordinary type signatures).
2779 </para> </listitem>
2780
2781 </itemizedlist>
2782
2783 </listitem>
2784
2785 <listitem>
2786 <para>
2787
2788 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2789 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2790
2791
2792 <programlisting>
2793   class C a where
2794     op :: [a] -> a
2795
2796     op xs = let ys::[a]
2797                 ys = reverse xs
2798             in
2799             head ys
2800 </programlisting>
2801
2802
2803 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2804 </para>
2805 </listitem>
2806
2807 </itemizedlist>
2808
2809 </para>
2810
2811 </sect3>
2812
2813 <sect3>
2814 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2815
2816 <para>
2817 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2818 <itemizedlist>
2819
2820 <listitem>
2821 <para>
2822 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2823 ust on a variable:
2824
2825
2826 <programlisting>
2827   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2828 </programlisting>
2829
2830
2831 </para>
2832 </listitem>
2833 <listitem>
2834
2835 <para>
2836  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2837 in lambda abstractions:
2838
2839 <programlisting>
2840   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2841 </programlisting>
2842 </para>
2843 </listitem>
2844 <listitem>
2845
2846 <para>
2847  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2848 in <literal>case</literal> expressions:
2849
2850
2851 <programlisting>
2852   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2853 </programlisting>
2854
2855 </para>
2856 </listitem>
2857
2858 <listitem>
2859 <para>
2860 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2861 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2862 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2863 consider how one would parse this:
2864
2865
2866 <programlisting>
2867   \ x :: a -> b -> x
2868 </programlisting>
2869
2870
2871 </para>
2872 </listitem>
2873
2874 <listitem>
2875
2876 <para>
2877  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2878 For example:
2879
2880
2881 <programlisting>
2882   data T = forall a. MkT [a]
2883
2884   f :: T -> T
2885   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2886                  where
2887                    t3::[a] = [t,t,t]
2888 </programlisting>
2889
2890
2891 </para>
2892 </listitem>
2893
2894
2895 <listitem>
2896
2897 <para>
2898 Pattern type signatures 
2899 can be used in pattern bindings:
2900
2901 <programlisting>
2902   f x = let (y, z::a) = x in ...
2903   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2904   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2905   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2906 </programlisting>
2907
2908 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2909 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2910 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2911 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2912 In contrast, the binding
2913 <programlisting>
2914   f4 :: b->b
2915   f4 = \x -> x
2916 </programlisting>
2917 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2918 in <literal>f4</literal>'s scope.
2919
2920 </para>
2921 </listitem>
2922 </itemizedlist>
2923 </para>
2924
2925 </sect3>
2926
2927 <sect3>
2928 <title>Result type signatures</title>
2929
2930 <para>
2931 The result type of a function can be given a signature, thus:
2932
2933
2934 <programlisting>
2935   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2936 </programlisting>
2937
2938
2939 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2940 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2941 you want:
2942
2943
2944 <programlisting>
2945   f :: Int -> [a] -> [a]
2946   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2947                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2948 </programlisting>
2949
2950 </para>
2951 <para>
2952 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
2953 of the definition. However, consider this corner-case:
2954 <programlisting>
2955   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2956
2957   foo ys = rev (ys::[a])
2958 </programlisting>
2959 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
2960 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
2961 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
2962 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
2963 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
2964 </para>
2965 <para>
2966 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
2967 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
2968 is polymorphic:
2969 <programlisting>
2970   rev1 :: [b] -> [b]
2971   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2972 </programlisting>
2973 </para>
2974
2975 <para>
2976 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2977 </para>
2978
2979 </sect3>
2980
2981 </sect2>
2982
2983 <sect2 id="newtype-deriving">
2984 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2985
2986 <para>
2987 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2988 the new type to inherit some instances from its representation. In
2989 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2990 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2991 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2992 example, if you define
2993
2994 <programlisting> 
2995   newtype Dollars = Dollars Int 
2996 </programlisting> 
2997
2998 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2999 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3000
3001 <programlisting> 
3002   instance Num Dollars where
3003     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3004     ...
3005 </programlisting>
3006 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3007 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3008 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3009 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3010 dictionary, only slower!
3011 </para>
3012
3013
3014 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3015 <para>
3016 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3017 <programlisting> 
3018   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3019 </programlisting> 
3020
3021 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3022 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3023 derives an instance declaration of the form
3024
3025 <programlisting> 
3026   instance Num Int => Num Dollars
3027 </programlisting> 
3028
3029 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3030 </para>
3031 <para>
3032
3033 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3034 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3035 transformers, such that
3036
3037 <programlisting> 
3038   instance Monad m => Monad (State s m) 
3039   instance Monad m => Monad (Failure m)
3040 </programlisting> 
3041 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3042 <programlisting> 
3043   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3044 </programlisting> 
3045
3046 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3047 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3048 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3049
3050 <programlisting> 
3051   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3052                          deriving Monad
3053 </programlisting>
3054 In this case the derived instance declaration is of the form 
3055 <programlisting> 
3056   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3057 </programlisting> 
3058
3059 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3060 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3061 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3062 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3063 declaration.
3064 </para>
3065 <para>
3066
3067 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3068 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3069 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3070 clause. For example, given the class
3071
3072 <programlisting> 
3073   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3074   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3075 </programlisting> 
3076 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3077 <programlisting> 
3078   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3079                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3080 </programlisting>
3081
3082 The derived instance is obtained by completing the application of the
3083 class to the new type:
3084
3085 <programlisting> 
3086   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3087            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3088 </programlisting>
3089 </para>
3090 <para>
3091
3092 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3093 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3094 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3095 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3096 the newtype and its representation.
3097 </para>
3098 </sect3>
3099
3100 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3101 <para>
3102 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3103 declaration (after expansion of any type synonyms)
3104
3105 <programlisting> 
3106   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3107 </programlisting> 
3108
3109 where 
3110  <itemizedlist>
3111 <listitem><para>
3112   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3113 </para></listitem>
3114 <listitem><para>
3115   <literal>t1...tk</literal> are types,
3116 </para></listitem>
3117 <listitem><para>
3118   <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3119   the <literal>ti</literal>, and
3120 </para></listitem>
3121 <listitem><para>
3122   the <literal>ci</literal> are partial applications of
3123   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3124   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3125 </para></listitem>
3126 </itemizedlist>
3127 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3128 declaration is:
3129 <programlisting> 
3130   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3131 </programlisting>
3132 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3133 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3134 </para>
3135 <para>
3136
3137 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3138 <programlisting> 
3139   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3140 </programlisting> 
3141 Here we cannot derive the instance 
3142 <programlisting> 
3143   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3144 </programlisting> 
3145
3146 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3147 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3148 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3149 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3150 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3151 </para>
3152 <para>
3153
3154 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3155 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3156 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3157
3158 <programlisting> 
3159   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3160 </programlisting>
3161
3162 then we would not have been able to derive an instance for the
3163 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3164 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3165 instances is most interesting.
3166 </para>
3167 </sect3>
3168
3169 </sect2>
3170
3171
3172 </sect1>
3173 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3174   
3175 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3176
3177 <sect1 id="template-haskell">
3178 <title>Template Haskell</title>
3179
3180 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3181 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3182 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3183 the background to
3184 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3185 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3186 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3187 </para>
3188
3189 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3190 </para>
3191
3192 <para>
3193 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3194 Tim Sheard is going to expand it.)
3195 </para>
3196
3197 <sect2>  <title> Syntax </title>
3198 <para>
3199     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
3200                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
3201
3202         <itemizedlist>
3203               <listitem><para>
3204                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3205                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3206                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3207                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3208                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3209                   </para>
3210               <para> A splice can occur in place of 
3211                   <itemizedlist>
3212                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3213                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3214                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3215                     </itemizedlist>
3216            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3217         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3218         as in the paper.)
3219                 </para></listitem>
3220
3221
3222               <listitem><para>
3223                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3224                   <itemizedlist>
3225                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3226                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3227                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3228                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3229                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3230                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3231                   </itemizedlist></para></listitem>
3232
3233               <listitem><para>
3234                   Reification is written thus:
3235                   <itemizedlist>
3236                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3237                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3238                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3239                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3240                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3241                     
3242                   </itemizedlist></para>
3243                 </listitem>
3244
3245                   
3246         </itemizedlist>
3247 </para>
3248 </sect2>
3249
3250 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3251 <para>
3252 <itemizedlist>
3253     <listitem><para>
3254     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3255     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3256     </para></listitem>
3257
3258     <listitem><para>
3259     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3260             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3261             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3262    </para></listitem>
3263
3264     <listitem><para>
3265             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3266    </para></listitem>
3267     <listitem><para>
3268             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3269               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3270               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3271               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3272               those of the compiler itself.
3273    </para></listitem>
3274 </itemizedlist>
3275 </para>
3276 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3277         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3278         has been lifted.
3279 </para>
3280 </sect2>
3281  
3282 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3283 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3284   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3285
3286 <programlisting>
3287 {- Main.hs -}
3288 module Main where
3289
3290 -- Import our template "pr"
3291 import Printf ( pr )
3292
3293 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3294 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3295 -- the argument of "putStrLn".
3296 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3297 </programlisting>
3298
3299 <programlisting>
3300 {- Printf.hs -}
3301 module Printf where
3302
3303 -- Skeletal printf from the paper.
3304 -- It needs to be in a separate module to the one where
3305 -- you intend to use it.
3306
3307 -- Import some Template Haskell syntax
3308 import Language.Haskell.THSyntax
3309
3310 -- Describe a format string
3311 data Format = D | S | L String
3312
3313 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3314 -- as we are here interested in building our first ever
3315 -- Template Haskell program and not in building printf.
3316 parse :: String -> [Format]
3317 parse s   = [ L s ]
3318
3319 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3320 -- of the format string.  This code will be spliced into
3321 -- the module which calls "pr", at compile time.
3322 gen :: [Format] -> Expr
3323 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3324 gen [S]   = [| \s -> s |]
3325 gen [L s] = string s
3326
3327 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3328 -- from an input format string.
3329 pr :: String -> Expr
3330 pr s      = gen (parse s)
3331 </programlisting>
3332
3333 <para>Now run the compiler (here we are using a "stage three" build of GHC, at a Cygwin prompt on Windows):
3334 </para>
3335 <programlisting>
3336 ghc/compiler/stage3/ghc-inplace --make -fglasgow-exts -package haskell-src main.hs -o main.exe
3337 </programlisting>
3338
3339 <para>Run "main.exe" and here is your output:
3340 </para>
3341
3342 <programlisting>
3343 $ ./main
3344 Hello
3345 </programlisting>
3346
3347 </sect2>
3348  
3349 </sect1>
3350
3351 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3352
3353 <sect1 id="arrow-notation">
3354 <title>Arrow notation
3355 </title>
3356
3357 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3358 For more details, see
3359 <itemizedlist>
3360
3361 <listitem>
3362 <para>
3363 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3364 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3365 pp67&ndash;111, May 2000.
3366 </para>
3367 </listitem>
3368
3369 <listitem>
3370 <para>
3371 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3372 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3373 </para>
3374 </listitem>
3375
3376 <listitem>
3377 <para>
3378 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3379 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3380 Palgrave, 2003.
3381 </para>
3382 </listitem>
3383
3384 </itemizedlist>
3385 and the arrows web page at
3386 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3387 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3388 notation described in the second of these papers.
3389 What follows is a brief introduction to the notation;
3390 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3391 This notation is translated to ordinary Haskell,
3392 using combinators from the
3393 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3394 module.
3395 </para>
3396
3397 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows,
3398 of the form <literal>proc pat -> cmd</literal>,
3399 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3400 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3401 <literal>proc</literal>-expression,
3402 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3403 The syntax of commands is as follows:
3404 <screen>
3405 cmd   ::= exp1 -&lt;  exp2
3406        |  exp1 -&lt;&lt; exp2
3407        |  do { cstmt1 .. cstmtn ; cmd }
3408        |  let decls in cmd
3409        |  if exp then cmd1 else cmd2
3410        |  case exp of { calts }
3411        |  cmd1 qop cmd2
3412        |  (| aexp cmd1 .. cmdn |)
3413        |  \ pat1 .. patn -> cmd
3414        |  cmd aexp
3415        |  ( cmd )
3416
3417 cstmt ::= let decls
3418        |  pat &lt;- cmd
3419        |  rec { cstmt1 .. cstmtn }
3420        |  cmd
3421 </screen>
3422 Commands produce values, but (like monadic computations)
3423 may yield more than one value,
3424 or none, and may do other things as well.
3425 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3426 using commands.
3427 However the values of expressions, even monadic ones,
3428 are determined by the values of the variables they contain;
3429 this is not necessarily the case for commands.
3430 </para>
3431
3432 <para>
3433 A simple example of the new notation is the expression
3434 <screen>
3435 proc x -> f -&lt; x+1
3436 </screen>
3437 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3438 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3439 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3440 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3441 It refers to the input to the arrow.
3442 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3443 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3444 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3445 (The weird look will make more sense later.)
3446 It may be read as analogue of application for arrows.
3447 The above example is equivalent to the Haskell expression
3448 <screen>
3449 arr (\ x -> x+1) >>> f
3450 </screen>
3451 That would make no sense if the expression to the left of
3452 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3453 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3454 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3455 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3456 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3457 <screen>
3458 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3459 </screen>
3460 which is equivalent to
3461 <screen>
3462 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3463 </screen>
3464 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3465 class.
3466 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3467 you may find a monadic formulation more convenient.
3468 </para>
3469
3470 <sect2>
3471 <title>do-notation for commands</title>
3472
3473 <para>
3474 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3475 For example, you can write
3476 <screen>
3477 proc x -> do
3478         y &lt;- f -&lt; x+1
3479         g -&lt; 2*y
3480         let z = x+y
3481         t &lt;- h -&lt; x*z
3482         returnA -&lt; t+z
3483 </screen>
3484 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3485 but with commands in place of monadic expressions.
3486 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3487 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3488 <literal>y</literal>.
3489 In the next line, the output is discarded.
3490 The arrow <literal>returnA</literal> is defined in the
3491 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3492 module as <literal>arr id</literal>.
3493 The above example is treated as an abbreviation for
3494 <screen>
3495 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3496         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3497         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3498         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3499         arr snd >>>
3500         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3501         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3502         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3503         returnA
3504 </screen>
3505 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3506 After simplification using rewrite rules (see <xref linkEnd="rewrite-rules">)
3507 defined in the
3508 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3509 module, this reduces to
3510 <screen>
3511 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3512         first f >>>
3513         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3514         first g >>>
3515         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3516         first h >>>
3517         arr (\ (t, z) -> t+z)
3518 </screen>
3519 which is what you might have written by hand.
3520 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3521 </para>
3522
3523 <para>
3524 Note that although the above translation suggests that
3525 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3526 monomorphic, the actual translation produces Core,
3527 so polymorphic variables are allowed.
3528 </para>
3529
3530 <para>
3531 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3532 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3533 <screen>
3534 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3535 counter = proc reset -> do
3536         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3537                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3538         returnA -&lt; output
3539 </screen>
3540 The translation of such forms uses the <literal>loop</literal> combinator,
3541 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3542 </para>
3543
3544 </sect2>
3545
3546 <sect2>
3547 <title>Conditional commands</title>
3548
3549 <para>
3550 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3551 input for an arrow.
3552 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3553 <screen>
3554 proc (x,y) ->
3555         if f x y
3556         then g -&lt; x+1
3557         else h -&lt; y+2
3558 </screen>
3559 which is translated to
3560 <screen>
3561 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3562         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3563 </screen>
3564 Since the translation uses <literal>|||</literal>,
3565 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3566 </para>
3567
3568 <para>
3569 There are also <literal>case</literal> commands, like
3570 <screen>
3571 case input of
3572     [] -> f -&lt; ()
3573     [x] -> g -&lt; x+1
3574     x1:x2:xs -> do
3575         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3576         ys &lt;- k -&lt; xs
3577         returnA -&lt; y:ys
3578 </screen>
3579 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3580 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3581 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3582 </para>
3583
3584 </sect2>
3585
3586 <sect2>
3587 <title>Defining your own control structures</title>
3588
3589 <para>
3590 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3591 modelled on those for expressions,
3592 for sequencing, value recursion and conditionals.
3593 But suitable combinators,
3594 which you can define in ordinary Haskell,
3595 may also be used to build new commands out of existing ones.
3596 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3597 These environments assign values to the free local variables of the command.
3598 Thus combinators that produce arrows from arrows
3599 may also be used to build commands from commands.
3600 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3601 <programlisting>
3602 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3603 </programlisting>
3604 so we can use it to build commands:
3605 <programlisting>
3606 expr' = proc x ->
3607                 returnA -&lt; x
3608         &lt;+> do
3609                 symbol Plus -&lt; ()
3610                 y &lt;- term -&lt; ()
3611                 expr' -&lt; x + y
3612         &lt;+> do
3613                 symbol Minus -&lt; ()
3614                 y &lt;- term -&lt; ()
3615                 expr' -&lt; x - y
3616 </programlisting>
3617 This is equivalent to
3618 <programlisting>
3619 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3620         &lt;+> (proc x -> do
3621                 symbol Plus -&lt; ()
3622                 y &lt;- term -&lt; ()
3623                 expr' -&lt; x + y)
3624         &lt;+> (proc x -> do
3625                 symbol Minus -&lt; ()
3626                 y &lt;- term -&lt; ()
3627                 expr' -&lt; x - y)
3628 </programlisting>
3629 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3630 (representing the environment input to the command
3631 and thence to its subcommands)
3632 and satisfy the corresponding naturality property
3633 <screen>
3634 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3635 </screen>
3636 at least for strict <literal>k</literal>.
3637 (This should be automatic if you're not using <literal>seq</literal>.)
3638 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3639 of the whole command,
3640 and also allows the translation to safely trim these environments.
3641 The operator must also not use any variable defined within the current
3642 arrow abstraction.
3643 </para>
3644
3645 <para>
3646 We could define our own operator
3647 <programlisting>
3648 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3649 untilA body cond = proc x ->
3650         if cond x then returnA -&lt; ()
3651         else do
3652                 body -&lt; x
3653                 untilA body cond -&lt; x
3654 </programlisting>
3655 and use it in the same way.
3656 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3657 there is also a more general syntax involving special brackets:
3658 <screen>
3659 proc x -> do
3660         y &lt;- f -&lt; x+1
3661         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3662 </screen>
3663 </para>
3664
3665 </sect2>
3666
3667 <sect2>
3668 <title>Primitive constructs</title>
3669
3670 <para>
3671 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3672 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3673 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3674 exception that occurred to the handler.
3675 Such an operator might have a type
3676 <screen>
3677 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3678 </screen>
3679 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3680 You could then use this with arrow notation by writing a command
3681 <screen>
3682 body `handleA` \ ex -> handler
3683 </screen>
3684 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3685 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3686 and the command <literal>handler</literal>,
3687 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3688 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3689 we are talking about commands, and something different is going on.
3690 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3691 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3692 In all the prior examples, this stack was empty.
3693 In the second argument to <literal>handleA</literal>,
3694 this stack consists of one value, the value of the exception.
3695 The command form of lambda merely gives this value a name.
3696 </para>
3697
3698 <para>
3699 More concretely,
3700 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3701 So when designing operators like <literal>handleA</literal> that pass
3702 extra inputs to their subcommands,
3703 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3704 should have the form
3705 <screen>
3706 a (...(e,t1), ... tn) t
3707 </screen>
3708 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3709 (representing the environment)
3710 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3711 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3712 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3713 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3714 <replaceable>t</replaceable>.
3715 However the arrows involved need not be the same.
3716 Here are some more examples of suitable operators:
3717 <screen>
3718 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3719 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3720 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3721 </screen>
3722 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3723 by applying them to ordinary expressions, as in
3724 <screen>
3725 proc x -> do
3726         s &lt;- ...
3727         (|runReader (do { ... })|) s
3728 </screen>
3729 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3730 built using <literal>runReader</literal>.
3731 </para>
3732
3733 <para>
3734 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3735 the expression versions.
3736 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3737 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3738 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3739 though the results would be somewhat clumsy.
3740 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3741 <programlisting>
3742 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3743 u `bind` f = returnA &&& u >>> f
3744
3745 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3746 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3747 </programlisting>
3748 We could simulate <literal>do</literal> by defining
3749 <programlisting>
3750 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3751 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3752 </programlisting>
3753 </para>
3754
3755 </sect2>
3756
3757 <sect2>
3758 <title>Differences with the paper</title>
3759
3760 <itemizedlist>
3761
3762 <listitem>
3763 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3764 translations, the implementation provides two forms
3765 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3766 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3767 </para>
3768 </listitem>
3769
3770 <listitem>
3771 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3772 a new <literal>form</literal> keyword.
3773 </para>
3774 </listitem>
3775
3776 </itemizedlist>
3777
3778 </sect2>
3779
3780 <sect2>
3781 <title>Portability</title>
3782
3783 <para>
3784 Although only GHC implements arrow notation directly,
3785 there is also a preprocessor
3786 (available from the 
3787 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page></ulink>)
3788 that translates arrow notation into Haskell 98
3789 for use with other Haskell systems.
3790 You would still want to check arrow programs with GHC;
3791 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
3792 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
3793 additional restrictions:
3794 <itemizedlist>
3795
3796 <listitem>
3797 <para>
3798 The module must import
3799 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
3800 </para>
3801 </listitem>
3802
3803 <listitem>
3804 <para>
3805 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
3806 These would have to go in separate modules.
3807 </para>
3808 </listitem>
3809
3810 <listitem>
3811 <para>
3812 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
3813 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
3814 </para>
3815 </listitem>
3816
3817 </itemizedlist>
3818 </para>
3819
3820 </sect2>
3821
3822 </sect1>
3823
3824 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3825
3826 <sect1 id="sec-assertions">
3827 <title>Assertions
3828 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3829 </title>
3830
3831 <para>
3832 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3833 could define a function like the following:
3834 </para>
3835
3836 <para>
3837
3838 <programlisting>
3839 assert :: Bool -> a -> a
3840 assert False x = error "assertion failed!"
3841 assert _     x = x
3842 </programlisting>
3843
3844 </para>
3845
3846 <para>
3847 which works, but gives you back a less than useful error message --
3848 an assertion failed, but which and where?
3849 </para>
3850
3851 <para>
3852 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3853 takes a descriptive string to include in the error message and
3854 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3855 the source location where <function>assert</function> was used.
3856 </para>
3857
3858 <para>
3859 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3860 use of <function>assert</function> in the user's source:
3861 </para>
3862
3863 <para>
3864
3865 <programlisting>
3866 kelvinToC :: Double -> Double
3867 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3868 </programlisting>
3869
3870 </para>
3871
3872 <para>
3873 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3874 assertion was made,
3875 </para>
3876
3877 <para>
3878
3879 <programlisting>
3880 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3881 </programlisting>
3882
3883 </para>
3884
3885 <para>
3886 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3887 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3888 can still define and use your own versions of
3889 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3890 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3891 <function>assert</function> in your code.
3892 </para>
3893
3894 <para>
3895 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3896 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3897 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3898 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3899 <literal>e</literal>.
3900 </para>
3901
3902 <para>
3903 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3904 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3905 </para>
3906
3907 </sect1>
3908
3909
3910 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3911
3912   <sect1 id="pragmas">
3913     <title>Pragmas</title>
3914
3915     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3916
3917     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3918     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3919     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3920     of the generated code.</para>
3921
3922     <para>Pragmas all take the form
3923
3924 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3925
3926     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3927     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3928     type of pragma.  Case is ignored in
3929     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3930     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3931     in the following sections; any pragma encountered with an
3932     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3933     ignored.</para>
3934
3935     <sect2 id="deprecated-pragma">
3936       <title>DEPRECATED pragma</title>
3937       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
3938       </indexterm>
3939
3940       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
3941       function, class, or type, is deprecated.  There are two
3942       forms.</para>
3943
3944       <itemizedlist>
3945         <listitem>
3946           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
3947 <programlisting>
3948    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3949      ...
3950 </programlisting>
3951           <para>When you compile any module that import
3952           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
3953           message.</para>
3954         </listitem>
3955
3956         <listitem>
3957           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
3958           following top-level declaration:</para>
3959 <programlisting>
3960    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3961 </programlisting>
3962           <para>When you compile any module that imports and uses any
3963           of the specifed entities, GHC will print the specified
3964           message.</para>
3965         </listitem>
3966       </itemizedlist>
3967
3968       <para>You can suppress the warnings with the flag
3969       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3970     </sect2>
3971
3972     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
3973       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
3974
3975       <para>These pragmas control the inlining of function
3976       definitions.</para>
3977
3978       <sect3 id="inline-pragma">
3979         <title>INLINE pragma</title>
3980         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
3981
3982         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
3983         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
3984         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
3985         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3986         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
3987         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
3988         export that unfolding for other modules to use.</para>
3989
3990         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
3991         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
3992         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
3993
3994 <programlisting>
3995 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3996
3997 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3998 {-# INLINE key_function #-}
3999 #endif
4000 </programlisting>
4001
4002         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4003         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4004         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4005
4006         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4007         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4008         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4009         inline it.</para>
4010
4011         <para>Syntactially, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4012         function can be put anywhere its type signature could be
4013         put.</para>
4014
4015         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4016         good idea for the
4017         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4018         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4019         a monad.  For example, in GHC's own
4020         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4021
4022 <programlisting>
4023 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4024 {-# INLINE thenUs #-}
4025 {-# INLINE returnUs #-}
4026 #endif
4027 </programlisting>
4028
4029         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4030         linkend="noinline-pragma">).</para>
4031       </sect3>
4032
4033       <sect3 id="noinline-pragma">
4034         <title>NOINLINE pragma</title>
4035         
4036         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4037         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4038
4039         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4040         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4041         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4042         you're very cautious about code size.</para>
4043
4044         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4045         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is
4046         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4047         inlining, so it should be used if you want your code to be
4048         portable).</para>
4049       </sect3>
4050
4051       <sect3 id="phase-control">
4052         <title>Phase control</title>
4053
4054         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4055         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4056         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4057         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4058         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4059         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4060         sequence of phase numbers for successive runs of the
4061         simpifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4062         phase number, thus:</para>
4063
4064         <itemizedlist>
4065           <listitem>
4066             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4067             and all subsequent phases":
4068 <programlisting>
4069   {-# INLINE [2] f #-}
4070 </programlisting>
4071             </para>
4072           </listitem>
4073
4074           <listitem>
4075             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4076             phases up to, but not including, Phase 3":
4077 <programlisting>
4078   {-# INLINE [~3] g #-}
4079 </programlisting>
4080             </para>
4081           </listitem>
4082
4083           <listitem>
4084             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4085             all phases".</para>
4086           </listitem>
4087         </itemizedlist>
4088
4089         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4090
4091         <itemizedlist>
4092           <listitem>
4093             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4094             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4095             there was no pragma at all":
4096 <programlisting>
4097   {-# NOINLINE [2] f #-}
4098 </programlisting>
4099             </para>
4100           </listitem>
4101
4102           <listitem>
4103             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4104             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4105             there was no pragma":
4106 <programlisting>
4107   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4108 </programlisting>
4109             </para>
4110           </listitem>
4111
4112           <listitem>
4113             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4114             inline this function".</para>
4115           </listitem>
4116         </itemizedlist>
4117
4118         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4119         (<xref LinkEnd="rewrite-rules">).</para>
4120       </sect3>
4121     </sect2>
4122
4123     <sect2 id="line-pragma">
4124       <title>LINE pragma</title>
4125
4126       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4127       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4128       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4129       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4130       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4131       original code; for example</para>
4132
4133 <programlisting>
4134 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4135 </programlisting>
4136
4137       <para>if you'd generated the current file from something called
4138       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4139       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4140       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4141       pragma.</para>
4142     </sect2>
4143
4144     <sect2 id="options-pragma">
4145       <title>OPTIONS pragma</title>
4146       <indexterm><primary>OPTIONS</primary>
4147       </indexterm>
4148       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS</secondary>
4149       </indexterm>
4150
4151       <para>The <literal>OPTIONS</literal> pragma is used to specify
4152       additional options that are given to the compiler when compiling
4153       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"> for
4154       details.</para>
4155     </sect2>
4156
4157     <sect2 id="rules">
4158       <title>RULES pragma</title>
4159
4160       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4161       described in <xref LinkEnd="rewrite-rules">.</para>
4162     </sect2>
4163
4164     <sect2 id="specialize-pragma">
4165       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4166
4167       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4168       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4169       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4170
4171       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4172       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4173       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4174       overloaded function:</para>
4175
4176 <programlisting>
4177 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4178 </programlisting>
4179
4180       <para>If it is heavily used on lists with
4181       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4182       follows:</para>
4183
4184 <programlisting>
4185 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4186 </programlisting>
4187
4188       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4189       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4190
4191 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating (a) a specialised
4192 version of the function and (b) a rewrite rule (see <xref linkend="rules">) that 
4193 rewrites a call to the un-specialised function into a call to the specialised
4194 one. You can, instead, provide your own specialised function and your own rewrite rule.
4195 For example, suppose that:
4196 <programlisting>
4197   genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
4198   intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
4199 </programlisting>
4200 where <literal>intLookup</literal> is an implementation of <literal>genericLookup</literal>
4201 that works very fast for keys of type <literal>Int</literal>.  Then you can write the rule
4202 <programlisting>
4203   {-# RULES "intLookup" genericLookup = intLookup #-}
4204 </programlisting>
4205 (see <xref linkend="rule-spec">). It is <emphasis>Your
4206       Responsibility</emphasis> to make sure that
4207       <function>intLookup</function> really behaves as a specialised
4208       version of <function>genericLookup</function>!!!</para>
4209
4210       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
4211       specialisation will Win Big:
4212
4213 <programlisting>
4214   toDouble :: Real a => a -> Double
4215   toDouble = fromRational . toRational
4216
4217   {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
4218   i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
4219 </programlisting>
4220
4221       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
4222       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
4223       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
4224       comparison.</para>
4225
4226     </sect2>
4227
4228 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4229 <title>SPECIALIZE instance pragma
4230 </title>
4231
4232 <para>
4233 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4234 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4235 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4236
4237 <programlisting>
4238 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4239    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4240    ... usual stuff ...
4241  }
4242 </programlisting>
4243 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4244 of the instance declaration.
4245 </para>
4246 <para>
4247 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4248 of the pragma.
4249 </para>
4250
4251 </sect2>
4252
4253
4254
4255 </sect1>
4256
4257 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4258
4259 <sect1 id="rewrite-rules">
4260 <title>Rewrite rules
4261
4262 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
4263 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4264 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4265
4266 <para>
4267 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4268 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4269 the <option>-O</option> flag (<xref LinkEnd="options-optimise">) is on, 
4270 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4271 (<xref LinkEnd="options-f">) is not specified.
4272 </para>
4273
4274 <para>
4275 Here is an example:
4276
4277 <programlisting>
4278   {-# RULES
4279         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4280   #-}
4281 </programlisting>
4282
4283 </para>
4284
4285 <sect2>
4286 <title>Syntax</title>
4287
4288 <para>
4289 From a syntactic point of view:
4290
4291 <itemizedlist>
4292 <listitem>
4293
4294 <para>
4295  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4296 </para>
4297 </listitem>
4298
4299 <listitem>
4300
4301 <para>
4302  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4303 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4304 </para>
4305 </listitem>
4306
4307 <listitem>
4308 <para>
4309 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref LinkEnd="phase-control">),
4310 immediately after the name of the rule.  Thus:
4311 <programlisting>
4312   {-# RULES
4313         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4314   #-}
4315 </programlisting>
4316 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4317 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4318 Phase 2.
4319 </para>
4320 </listitem>
4321
4322
4323 <listitem>
4324
4325 <para>
4326  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4327 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4328 enclosing definitions.
4329 </para>
4330 </listitem>
4331
4332 <listitem>
4333
4334 <para>
4335  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4336 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4337 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4338 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4339 </para>
4340 </listitem>
4341 <listitem>
4342
4343 <para>
4344  A pattern variable may optionally have a type signature.
4345 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4346 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4347
4348 <programlisting>
4349 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4350               foldr k z (build g) = g k z
4351 </programlisting>
4352
4353 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4354
4355 </para>
4356 </listitem>
4357 <listitem>
4358
4359 <para>
4360 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4361 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4362
4363 <programlisting>
4364 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4365 "wrong2"   forall f.      f True = True
4366 </programlisting>
4367
4368 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4369 in the head.
4370 </para>
4371 </listitem>
4372 <listitem>
4373
4374 <para>
4375  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4376 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4377 </para>
4378 </listitem>
4379 <listitem>
4380
4381 <para>
4382  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4383 </para>
4384 </listitem>
4385
4386 </itemizedlist>
4387
4388 </para>
4389
4390 </sect2>
4391
4392 <sect2>
4393 <title>Semantics</title>
4394
4395 <para>
4396 From a semantic point of view:
4397
4398 <itemizedlist>
4399 <listitem>
4400
4401 <para>
4402 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4403 </para>
4404 </listitem>
4405
4406 <listitem>
4407 <para>
4408  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4409 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4410 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4411 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4412 expression by substituting for the pattern variables.
4413
4414 </para>
4415 </listitem>
4416 <listitem>
4417
4418 <para>
4419  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4420 same type.
4421
4422 </para>
4423 </listitem>
4424 <listitem>
4425
4426 <para>
4427  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4428 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
4429 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4430
4431 </para>
4432 </listitem>
4433 <listitem>
4434
4435 <para>
4436  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4437 terminating.  For example:
4438
4439 <programlisting>
4440   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4441 </programlisting>
4442
4443 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4444
4445 </para>
4446 </listitem>
4447 <listitem>
4448
4449 <para>
4450  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4451
4452 </para>
4453 </listitem>
4454 <listitem>
4455 <para>
4456  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4457 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4458 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4459 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4460 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
4461 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4462 </para>
4463
4464 <para>
4465 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4466 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4467 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
4468 </para>
4469 </listitem>
4470 <listitem>
4471
4472 <para>
4473  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4474 For example, consider:
4475
4476 <programlisting>
4477   let s = map f
4478       t = map g
4479   in
4480   s (t xs)
4481 </programlisting>
4482
4483 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4484 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
4485 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4486 not be substituted, and the rule would not fire.
4487
4488 </para>
4489 </listitem>
4490 <listitem>
4491
4492 <para>
4493  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4494 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4495 for something you can't match against it (given the simple minded
4496 matching).  So if you write the rule
4497
4498 <programlisting>
4499         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4500 </programlisting>
4501
4502 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4503 It will only match something written with explicit use of ".".
4504 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4505
4506 <programlisting>
4507 wibble f g xs
4508 </programlisting>
4509
4510 where <function>wibble</function> is defined:
4511
4512 <programlisting>
4513 wibble f g = map f . map g
4514 </programlisting>
4515
4516 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4517
4518 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4519 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4520 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4521
4522 </para>
4523 </listitem>
4524 <listitem>
4525
4526 <para>
4527  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4528 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4529 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4530 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4531 declarations.
4532 </para>
4533 </listitem>
4534
4535 </itemizedlist>
4536
4537 </para>
4538
4539 </sect2>
4540
4541 <sect2>
4542 <title>List fusion</title>
4543
4544 <para>
4545 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4546 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4547 intermediate list should be eliminated entirely.
4548 </para>
4549
4550 <para>
4551 The following are good producers:
4552
4553 <itemizedlist>
4554 <listitem>
4555
4556 <para>
4557  List comprehensions
4558 </para>
4559 </listitem>
4560 <listitem>
4561
4562 <para>
4563  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4564 </para>
4565 </listitem>
4566 <listitem>
4567
4568 <para>
4569  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4570 </para>
4571 </listitem>
4572 <listitem>
4573
4574 <para>
4575  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4576 </para>
4577 </listitem>
4578 <listitem>
4579
4580 <para>
4581  <function>++</function>
4582 </para>
4583 </listitem>
4584
4585 <listitem>
4586 <para>
4587  <function>map</function>
4588 </para>
4589 </listitem>
4590
4591 <listitem>
4592 <para>
4593  <function>filter</function>
4594 </para>
4595 </listitem>
4596 <listitem>
4597
4598 <para>
4599  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4600 </para>
4601 </listitem>
4602 <listitem>
4603
4604 <para>
4605  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4606 </para>
4607 </listitem>
4608
4609 </itemizedlist>
4610
4611 </para>
4612
4613 <para>
4614 The following are good consumers:
4615
4616 <itemizedlist>
4617 <listitem>
4618
4619 <para>
4620  List comprehensions
4621 </para>
4622 </listitem>
4623 <listitem>
4624
4625 <para>
4626  <function>array</function> (on its second argument)
4627 </para>
4628 </listitem>
4629 <listitem>
4630
4631 <para>
4632  <function>length</function>
4633 </para>
4634 </listitem>
4635 <listitem>
4636
4637 <para>
4638  <function>++</function> (on its first argument)
4639 </para>
4640 </listitem>
4641
4642 <listitem>
4643 <para>
4644  <function>foldr</function>
4645 </para>
4646 </listitem>
4647
4648 <listitem>
4649 <para>
4650  <function>map</function>
4651 </para>
4652 </listitem>
4653 <listitem>
4654
4655 <para>
4656  <function>filter</function>
4657 </para>
4658 </listitem>
4659 <listitem>
4660
4661 <para>
4662  <function>concat</function>
4663 </para>
4664 </listitem>
4665 <listitem>
4666
4667 <para>
4668  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4669 </para>
4670 </listitem>
4671 <listitem>
4672
4673 <para>
4674  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4675 will fuse with one but not the other)
4676 </para>
4677 </listitem>
4678 <listitem>
4679
4680 <para>
4681  <function>partition</function>
4682 </para>
4683 </listitem>
4684 <listitem>
4685
4686 <para>
4687  <function>head</function>
4688 </para>
4689 </listitem>
4690 <listitem>
4691
4692 <para>
4693  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4694 </para>
4695 </listitem>
4696 <listitem>
4697
4698 <para>
4699  <function>sequence&lowbar;</function>
4700 </para>
4701 </listitem>
4702 <listitem>
4703
4704 <para>
4705  <function>msum</function>
4706 </para>
4707 </listitem>
4708 <listitem>
4709
4710 <para>
4711  <function>sortBy</function>
4712 </para>
4713 </listitem>
4714
4715 </itemizedlist>
4716
4717 </para>
4718
4719  <para>
4720 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4721
4722 <programlisting>
4723 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4724 </programlisting>
4725
4726 </para>
4727
4728 <para>
4729 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4730 a lot which are not included, please tell us.
4731 </para>
4732
4733 <para>
4734 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4735 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4736 </para>
4737
4738 </sect2>
4739
4740 <sect2 id="rule-spec">
4741 <title>Specialisation
4742 </title>
4743
4744 <para>
4745 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4746 present in earlier version of GHC:
4747
4748 <programlisting>
4749   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4750 </programlisting>
4751
4752 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4753 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4754 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4755 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4756 </para>
4757
4758 <para>
4759 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4760 same thing:
4761
4762 <programlisting>
4763 {-# RULES
4764   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4765 #-}
4766 </programlisting>
4767
4768 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4769 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4770 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4771
4772 <programlisting>
4773 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4774         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4775 </programlisting>
4776
4777 What is more,
4778 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4779 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4780 have an original definition available to specialise).
4781 </para>
4782
4783 </sect2>
4784
4785 <sect2>
4786 <title>Controlling what's going on</title>
4787
4788 <para>
4789
4790 <itemizedlist>
4791 <listitem>
4792
4793 <para>
4794  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4795 </para>
4796 </listitem>
4797 <listitem>
4798
4799 <para>
4800  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4801 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4802 </para>
4803 </listitem>
4804 <listitem>
4805
4806 <para>
4807  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>GHC/Base.lhs</FileName> looks llike this:
4808
4809 <programlisting>
4810         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4811         {-# INLINE build #-}
4812         build g = g (:) []
4813 </programlisting>
4814
4815 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4816 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4817 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4818 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4819
4820 </para>
4821 </listitem>
4822 <listitem>
4823
4824 <para>
4825  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4826 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4827 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
4828 </para>
4829 </listitem>
4830
4831 </itemizedlist>
4832
4833 </para>
4834
4835 </sect2>
4836
4837 <sect2 id="core-pragma">
4838   <title>CORE pragma</title>
4839
4840   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
4841   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
4842   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
4843
4844 <para>
4845   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
4846   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
4847   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
4848   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
4849   literal as an argument.  The following function definition shows an
4850   example:
4851
4852 <programlisting>
4853 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
4854 </programlisting>
4855
4856   Sematically, this is equivalent to:
4857
4858 <programlisting>
4859 g x = show x
4860 </programlisting>
4861 </para>
4862
4863 <para>
4864   However, when external for is generated (via
4865   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
4866   expressions <function>show</function> and <VarName>x</VarName>.
4867   The core function declaration for <function>f</function> is:
4868 </para>
4869
4870 <programlisting>
4871   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
4872                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
4873     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
4874         (%note "foo"
4875          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
4876            {GHCziShow.ZCDShow
4877             (tpl1::GHCziBase.Int ->
4878                    a ->
4879                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4880 r)
4881             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
4882             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
4883                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4884 r) ->
4885               tpl2})
4886         (%note "foo"
4887          eta);
4888 </programlisting>
4889
4890 <para>
4891   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
4892   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
4893   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
4894   expression <VarName>eta</VarName> (which used to be called
4895   <VarName>x</VarName>).
4896 </para>
4897
4898 </sect2>
4899
4900 </sect1>
4901
4902 <sect1 id="generic-classes">
4903 <title>Generic classes</title>
4904
4905     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4906     GHC 5.02).</para>
4907
4908 <para>
4909 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4910 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4911 An example will give the idea:
4912 </para>
4913
4914 <programlisting>
4915   import Generics
4916
4917   class Bin a where
4918     toBin   :: a -> [Int]
4919     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4920   
4921     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4922     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4923     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4924     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4925   
4926     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4927     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4928     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4929     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4930                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4931 </programlisting>
4932 <para>
4933 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4934 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4935 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4936 </para>
4937 <programlisting>
4938   data Unit    = Unit
4939   data a :+: b = Inl a | Inr b
4940   data a :*: b = a :*: b
4941 </programlisting>
4942 <para>
4943 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4944 <programlisting>
4945   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4946   instance Bin a => Bin [a]
4947 </programlisting>
4948 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
4949 where clause and over-ride whichever methods you please.
4950 </para>
4951
4952     <sect2>
4953       <title> Using generics </title>
4954       <para>To use generics you need to</para>
4955       <itemizedlist>
4956         <listitem>
4957           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4958                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4959                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4960                 available.  </para>
4961         </listitem>
4962         <listitem>
4963           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4964           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4965           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4966           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4967           don't need this import if you don't mention these types
4968           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4969           declarations.)</para>
4970         </listitem>
4971       </itemizedlist>
4972     </sect2>
4973
4974 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4975 <para>
4976 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4977 can be written infix (indeed, you can now use
4978 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4979 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4980 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4981 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4982 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4983 anticipate wanting).
4984 </para>
4985 </sect2>
4986
4987 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4988 <para>
4989 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4990 is one that is defined using type patterns as above.
4991 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4992 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4993 generic default method.
4994 </para>
4995
4996 <para>
4997 Restrictions:
4998 <itemizedlist>
4999 <listitem>
5000 <para>
5001 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5002 field labels.
5003 </para>
5004 </listitem>
5005
5006 <listitem>
5007 <para>
5008 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5009 multi-parameter class.
5010 </para>
5011 </listitem>
5012
5013 <listitem>
5014 <para>
5015 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5016 without.  So this is illegal:
5017 <programlisting>
5018   class Foo a where
5019     op :: a -> (a, Bool)
5020     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5021     op x               = (x,    False)
5022 </programlisting>
5023 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5024 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5025 </para>
5026 </listitem>
5027
5028 <listitem>
5029 <para>
5030 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5031 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:
5032 <programlisting>
5033   class Foo a where
5034     op :: a -> Bool
5035     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5036     ...
5037 </programlisting>
5038 </para>
5039 </listitem>
5040
5041 <listitem>
5042 <para>
5043 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5044 <programlisting>
5045        a :+: b
5046        a :*: b
5047        Unit
5048 </programlisting>
5049 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5050 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5051 must use the same type variables.  So this is illegal:
5052 <programlisting>
5053   class Foo a where
5054     op :: a -> Bool
5055     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5056     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5057 </programlisting>
5058 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5059 So this too is illegal:
5060 <programlisting>
5061   class Foo a where
5062     op1 :: a -> Bool
5063     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5064
5065     op2 :: a -> Bool
5066     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5067 </programlisting>
5068 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5069 into a single generic instance declaration.)
5070 </para>
5071 </listitem>
5072
5073 <listitem>
5074 <para>
5075 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5076 </para>
5077 </listitem>
5078
5079 <listitem>
5080 <para>
5081 The type for a generic method can be built only from:
5082   <itemizedlist>
5083   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5084   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5085   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5086   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5087   </itemizedlist>
5088 Here are some example type signatures for generic methods:
5089 <programlisting>
5090     op1 :: a -> Bool
5091     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5092     op3 :: [Int] -> a -> a
5093     op4 :: [a] -> Bool
5094 </programlisting>
5095 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5096 inside a list.  
5097 </para>
5098 <para>
5099 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5100 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5101 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5102 to the ones that are allowed.</para>
5103 </listitem>
5104
5105 <listitem>
5106 <para>
5107 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5108 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5109 do so if
5110   <itemizedlist>
5111   <listitem>
5112   <para>
5113   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5114   </para>
5115   </listitem>
5116   <listitem>
5117   <para>
5118   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5119   </para>
5120   </listitem>
5121   </itemizedlist>
5122 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5123 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5124 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5125 </para>
5126 </listitem>
5127
5128 </itemizedlist>
5129 </para>
5130
5131 <para>
5132 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5133 what the compiler does with generic declarations.
5134 </para>
5135
5136 </sect2>
5137
5138 <sect2> <title> Another example </title>
5139 <para>
5140 Just to finish with, here's another example I rather like:
5141 <programlisting>
5142   class Tag a where
5143     nCons :: a -> Int
5144     nCons {| Unit |}    _ = 1
5145     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5146     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5147   
5148     tag :: a -> Int
5149     tag {| Unit |}    _       = 1
5150     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5151     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5152     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5153 </programlisting>
5154 </para>
5155 </sect2>
5156 </sect1>
5157
5158
5159
5160 <!-- Emacs stuff:
5161      ;;; Local Variables: ***
5162      ;;; mode: sgml ***
5163      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
5164      ;;; End: ***
5165  -->