ed79f5b8224676171189095ee213c4944ffd27da
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 <!-- &primitives; -->
156 <sect1 id="primitives">
157   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
158
159 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
160 While you really can use this stuff to write fast code,
161   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
162   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
163   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
164   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
165   about it.</para>
166
167 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
168 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
169 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
170 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
171
172 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
173 work over those types, is held in the file
174 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
175 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
176 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
177
178 <para> Indeed,
179 the result of such processing is part of the description of the 
180  <ulink
181       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
182          Core language</ulink>.
183 So that document is a good place to look for a type-set version.
184 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
185 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
186 we could include the results here in the User Guide.</para>
187
188 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
189   
190 <sect2 id="glasgow-unboxed">
191 <title>Unboxed types
192 </title>
193
194 <para>
195 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
196 </para>
197
198 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
199 that values of that type are represented by a pointer to a heap
200 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
201 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
202 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
203 allocation are involved.
204 </para>
205
206 <para>
207 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
208 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
209 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
210 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
211 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
212 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
213 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
214 know and love&mdash;usually one instruction.
215 </para>
216
217 <para>
218 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
219 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
220 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
221 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
222 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
223 </para>
224
225 <para>
226 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
227 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
228 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
229 a primitive value might be represented by a pointer to a
230 heap-allocated object.  Examples include
231 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
232 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
233 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
234 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
235 represents a primitive value, then it really does point to that value:
236 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
237 other end of the pointer than the primitive value.
238 </para>
239
240 <para>
241 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
242 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
243 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
244 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
245 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
246 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
247 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
248 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
249 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
250 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
251 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
252 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
253 </para>
254
255 <para>
256 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
257 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
258 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
259 </para>
260
261 </sect2>
262
263 <sect2 id="unboxed-tuples">
264 <title>Unboxed Tuples
265 </title>
266
267 <para>
268 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
269 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
270 unboxed tuple looks like this:
271 </para>
272
273 <para>
274
275 <programlisting>
276 (# e_1, ..., e_n #)
277 </programlisting>
278
279 </para>
280
281 <para>
282 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
283 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
284 the same.
285 </para>
286
287 <para>
288 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
289 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
290 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
291 components are put directly into registers or on the stack; the
292 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
293 of the primitive operations listed in this section return unboxed
294 tuples.
295 </para>
296
297 <para>
298 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
299 </para>
300
301 <para>
302
303 <itemizedlist>
304 <listitem>
305
306 <para>
307  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
308 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
309 structures or passed to polymorphic functions.
310
311 </para>
312 </listitem>
313 <listitem>
314
315 <para>
316  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
317 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
318 eg. the following are valid:
319
320
321 <programlisting>
322 f x y = (# x+1, y-1 #)
323 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
324 </programlisting>
325
326
327 but the following are invalid:
328
329
330 <programlisting>
331 f x y = g (# x, y #)
332 g (# x, y #) = x + y
333 </programlisting>
334
335
336 </para>
337 </listitem>
338 <listitem>
339
340 <para>
341  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
342
343
344 <programlisting>
345 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
346 f x = x
347 </programlisting>
348
349
350 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
351
352 </para>
353 </listitem>
354
355 </itemizedlist>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
361 </para>
362
363 <para>
364 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
365 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
366 </para>
367
368 </sect2>
369 </sect1>
370
371
372 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
373
374 <sect1 id="syntax-extns">
375 <title>Syntactic extensions</title>
376  
377     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
378
379     <sect2 id="hierarchical-modules">
380       <title>Hierarchical Modules</title>
381
382       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
383       names: a module name is allowed to contain a dot
384       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
385       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
386       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
387       more flexible hierarchy of modules.</para>
388
389       <para>This extension has very little impact on the language
390       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
391       qualified, so you can just think of the fully qualified module
392       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
393       means that the full module name must be given after the
394       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
395       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
396       begin</para>
397
398 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
399
400
401       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
402       keyword to save some typing when using qualified names with
403       hierarchical modules.  For example:</para>
404
405 <programlisting>
406 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
407 </programlisting>
408
409       <para>Hierarchical modules have an impact on the way that GHC
410       searches for files.  For a description, see <xref
411       linkend="finding-hierarchical-modules">.</para>
412
413       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
414       hierarchically; see the accompanying library documentation.
415       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
416       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
417       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
418       current status of that project.  For more details, see <ulink
419       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
420       Libraries</ulink>.</para>
421
422     </sect2>
423
424     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
425
426 <sect2 id="pattern-guards">
427 <title>Pattern guards</title>
428
429 <para>
430 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
431 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ULink URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ULink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
432 </para>
433
434 <para>
435 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
436 lookup operation:
437
438 <programlisting>
439 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
440 </programlisting>
441
442 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
443 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
444 </para>
445
446 <programlisting>
447 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
448 | otherwise  = var1 + var2
449 where
450   m1 = lookup env var1
451   m2 = lookup env var2
452   ok1 = maybeToBool m1
453   ok2 = maybeToBool m2
454   val1 = expectJust m1
455   val2 = expectJust m2
456 </programlisting>
457
458 <para>
459 The auxiliary functions are 
460 </para>
461
462 <programlisting>
463 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
464 maybeToBool (Just x) = True
465 maybeToBool Nothing  = False
466
467 expectJust :: Maybe a -&gt; a
468 expectJust (Just x) = x
469 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
470 </programlisting>
471
472 <para>
473 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
474 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
475 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
476 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
477 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
478 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
479 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
480 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
481 </para>
482
483 <para>
484 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
485 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
486 to write clunky would be to use case expressions:
487 </para>
488
489 <programlisting>
490 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
491   Nothing -&gt; fail
492   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
493     Nothing -&gt; fail
494     Just val2 -&gt; val1 + val2
495 where
496   fail = val1 + val2
497 </programlisting>
498
499 <para>
500 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
501 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
502 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
503 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
504 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
505 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
506 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
507 tends to become more and more indented. 
508 </para>
509
510 <para>
511 Here is how I would write clunky:
512 </para>
513
514 <programlisting>
515 clunky env var1 var1
516   | Just val1 &lt;- lookup env var1
517   , Just val2 &lt;- lookup env var2
518   = val1 + val2
519 ...other equations for clunky...
520 </programlisting>
521
522 <para>
523 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
524 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
525 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
526 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
527 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
528 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
529 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
530 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
531 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
532 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
533 </para>
534
535 <para>
536 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
537 with among the pattern guards.  For example:
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 f x | [y] <- x
542     , y > 3
543     , Just z <- h y
544     = ...
545 </programlisting>
546
547 <para>
548 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
549 qualifier list has just one element, a boolean expression.
550 </para>
551 </sect2>
552
553     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
554
555 <sect2 id="mdo-notation">
556 <title>The recursive do-notation
557 </title>
558
559 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
560 "A recursive do for Haskell",
561 Levent Erkok, John Launchbury",
562 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
563 </para>
564 <para>
565 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
566 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
567 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
568 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
569 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
570 </para>
571 <para>
572 Here is a simple (yet contrived) example:
573 </para>
574 <programlisting>
575 import Control.Monad.Fix
576
577 justOnes = mdo xs <- Just (1:xs)
578                return xs
579 </programlisting>
580 <para>
581 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
582 </para>
583
584 <para>
585 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
586 </para>
587 <programlisting>
588 class Monad m => MonadFix m where
589    mfix :: (a -> m a) -> m a
590 </programlisting>
591 <para>
592 The function <literal>mfix</literal>
593 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
594 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
595 For details, see the above mentioned reference.
596 </para>
597 <para>
598 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
599 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
600 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
601 </para>
602 <para>
603 There are three important points in using the recursive-do notation:
604 <itemizedlist>
605 <listitem><para>
606 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
607 than <literal>do</literal>).
608 </para></listitem>
609
610 <listitem><para>
611 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
612 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
613 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
614 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
615 </para></listitem>
616
617 <listitem><para>
618 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
619 </para></listitem>
620 </itemizedlist>
621 </para>
622
623 <para>
624 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
625 contains up to date information on recursive monadic bindings.
626 </para>
627
628 <para>
629 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
630 of the existing documents) used the name
631 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
632 This name is not supported by GHC.
633 </para>
634
635 </sect2>
636
637
638    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
639
640   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
641     <title>Parallel List Comprehensions</title>
642     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
643     </indexterm>
644     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
645     </indexterm>
646
647     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
648     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
649     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
650     extend this to include the zipWith family.</para>
651
652     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
653     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
654     example, the following zips together two lists:</para>
655
656 <programlisting>
657    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
658 </programlisting>
659
660     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
661     zip, in that the resulting list will have the same length as the
662     shortest branch.</para>
663
664     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
665     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
666
667     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
668
669 <programlisting>
670    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
671        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
672        ... 
673    ] 
674 </programlisting>
675
676     <para>This will be translated to: </para>
677
678 <programlisting>
679    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
680                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
681                                          ... 
682    ] 
683 </programlisting>
684
685     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
686     branches.</para>
687
688   </sect2>
689
690 <sect2 id="rebindable-syntax">
691 <title>Rebindable syntax</title>
692
693
694       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
695       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
696       with a home-grown version, for example.</para>
697
698             <para>You may want to define your own numeric class
699             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
700             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
701             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
702             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
703             the following pieces of built-in syntax to refer to
704             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
705             versions:</para>
706
707             <itemizedlist>
708               <listitem>
709                 <para>Integer and fractional literals mean
710                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
711                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
712                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
713                 patterns. </para>
714                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
715                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
716               </listitem>
717
718               <listitem>
719                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
720                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
721                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
722               </listitem>
723
724               <listitem>
725                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
726                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
727                 but the necessary subtraction uses whatever
728                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
729                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
730               </listitem>
731
732               <listitem>
733           <para>"Do" notation is translated using whatever
734               functions <literal>(>>=)</literal>,
735               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
736               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
737               versions).  List comprehensions, and parallel array
738               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
739             </itemizedlist>
740
741              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
742              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
743              must have the appropriate types, namely:
744              <screen>
745                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
746                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
747                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
748                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
749                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
750                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
751                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
752                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
753              </screen>
754              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
755              is up to you.)
756              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
757              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
758              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
759
760 </sect2>
761 </sect1>
762
763
764 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
765 <sect1 id="type-extensions">
766 <title>Type system extensions</title>
767
768 <sect2 id="nullary-types">
769 <title>Data types with no constructors</title>
770
771 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
772 a data type with no constructors.  For example:</para>
773
774 <programlisting>
775   data S      -- S :: *
776   data T a    -- T :: * -> *
777 </programlisting>
778
779 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
780 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
781 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
782 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
783
784 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
785 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
786 </sect2>
787
788 <sect2 id="infix-tycons">
789 <title>Infix type constructors</title>
790
791 <para>
792 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
793 like expressions.  More specifically:
794 <itemizedlist>
795 <listitem><para>
796   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
797   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
798   </para></listitem>
799 <listitem><para>
800   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
801   </para></listitem>
802 <listitem><para>
803   Back-quotes work
804   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
805   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
806   </para></listitem>
807 <listitem><para>
808   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
809   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
810   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
811 <screen>
812   infixl 7 T, :*:
813 </screen>
814   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
815   and similarly for <literal>:*:</literal>.
816   <literal>Int `a` Bool</literal>.
817   </para></listitem>
818 <listitem><para>
819   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
820   </para></listitem>
821 <listitem><para>
822   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
823 <screen>
824   data a :*: b = Foo a b
825   type a :+: b = Either a b
826 </screen>
827   </para></listitem>
828 <listitem><para>
829   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
830   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
831   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
832   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
833   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
834   lists.  So for now we just exclude them.
835   </para></listitem>
836
837 </itemizedlist>
838 </para>
839 </sect2>
840
841 <sect2 id="sec-kinding">
842 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
843
844 <para>
845 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
846 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
847 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
848 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
849 John Hughes had to define the data type:
850 <Screen>
851      data Set cxt a = Set [a]
852                     | Unused (cxt a -> ())
853 </Screen>
854 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
855 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
856 </para>
857 <para>
858 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
859 a type variable is explicitly bound.  Namely:
860 <itemizedlist>
861 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
862 <Screen>
863   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
864 </Screen></para></listitem>
865 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
866 <Screen>
867   type T (f :: * -> *) = f Int
868 </Screen></para></listitem>
869 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
870 <Screen>
871   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
872 </Screen></para></listitem>
873 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
874 <Screen>
875   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
876 </Screen></para></listitem>
877 </itemizedlist>
878 </para>
879
880 <para>
881 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
882 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
883 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
884 single lexeme in Haskell.
885 </para>
886
887 <para>
888 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
889 as well.  Thus:
890 <Screen>
891    f :: (Int :: *) -> Int
892    g :: forall a. a -> (a :: *)
893 </Screen>
894 The syntax is
895 <Screen>
896    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
897 </Screen>
898 The parentheses are required.
899 </para>
900 </sect2>
901
902
903 <sect2 id="class-method-types">
904 <title>Class method types
905 </title>
906 <para>
907 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
908 class type variable, thus:
909 <programlisting>
910   class Seq s a where
911     fromList :: [a] -> s a
912     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
913 </programlisting>
914 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
915 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
916 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
917 </para>
918 <para>
919 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
920 </para>
921
922 </sect2>
923
924 <sect2 id="multi-param-type-classes">
925 <title>Multi-parameter type classes
926 </title>
927
928 <para>
929 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
930 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
931 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
932 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
933 Jones, Erik Meijer).
934 </para>
935
936
937 <sect3 id="type-restrictions">
938 <title>Types</title>
939
940 <para>
941 GHC imposes the following restrictions on the form of a qualified
942 type, whether declared in a type signature
943 or inferred. Consider the type:
944
945 <programlisting>
946   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
947 </programlisting>
948
949 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
950 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
951 explicit source-language type signature are universally quantified,
952 except for the class type variables in a class declaration.  However,
953 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
954 </para>
955
956 <para>
957
958 <OrderedList>
959 <listitem>
960
961 <para>
962  <emphasis>Each universally quantified type variable
963 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
964
965 A type variable is "reachable" if it it is functionally dependent
966 (see <xref linkend="functional-dependencies">)
967 on the type variables free in <literal>type</literal>.
968 The reason for this is that a value with a type that does not obey
969 this restriction could not be used without introducing
970 ambiguity. 
971 Here, for example, is an illegal type:
972
973
974 <programlisting>
975   forall a. Eq a => Int
976 </programlisting>
977
978
979 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
980 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
981 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
982 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
983 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
984 get any more information about <literal>tv</literal>.
985
986 </para>
987 </listitem>
988 <listitem>
989
990 <para>
991  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
992 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
993
994 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
995 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
996
997
998 <programlisting>
999   forall a. C a b => burble
1000 </programlisting>
1001
1002
1003 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1004 mention <literal>a</literal>:
1005
1006
1007 <programlisting>
1008   forall a. Eq b => burble
1009 </programlisting>
1010
1011
1012 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1013 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1014 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1015 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1016 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1017 territory free in case we need it later.
1018
1019 </para>
1020 </listitem>
1021
1022 </OrderedList>
1023
1024 </para>
1025
1026
1027 <para>
1028 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1029 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
1030 are perfectly OK
1031 </para>
1032
1033 <para>
1034
1035 <programlisting>
1036   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
1037   g :: Eq [a] => ...
1038 </programlisting>
1039
1040 </para>
1041
1042 <para>
1043 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
1044 </para>
1045
1046 </sect3>
1047
1048 <sect3>
1049 <title>Class declarations</title>
1050
1051 <para>
1052
1053 <OrderedList>
1054 <listitem>
1055
1056 <para>
1057  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1058
1059
1060 <programlisting>
1061   class Collection c a where
1062     union :: c a -> c a -> c a
1063     ...etc.
1064 </programlisting>
1065
1066
1067
1068 </para>
1069 </listitem>
1070 <listitem>
1071
1072 <para>
1073  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1074 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1075 this is OK:
1076
1077
1078 <programlisting>
1079   class C a where {
1080     op :: D b => a -> b -> b
1081   }
1082
1083   class C a => D a where { ... }
1084 </programlisting>
1085
1086
1087 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1088 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1089 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1090
1091 </para>
1092 </listitem>
1093 <listitem>
1094
1095 <para>
1096  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1097 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1098 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1099
1100
1101 <programlisting>
1102   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1103     ...
1104
1105   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1106     lift :: m a -> (t m) a
1107 </programlisting>
1108
1109
1110 </para>
1111 </listitem>
1112
1113 <listitem>
1114
1115 <para>
1116  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1117 mentioned in <xref linkend="type-restrictions">)
1118 from the free varibles of each method type
1119 </emphasis>.  For example:
1120
1121
1122 <programlisting>
1123   class Coll s a where
1124     empty  :: s
1125     insert :: s -> a -> s
1126 </programlisting>
1127
1128
1129 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1130 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1131 types, and has the same motivation.
1132
1133 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1134 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1135
1136
1137 <programlisting>
1138   class Coll s a where
1139     empty  :: s a
1140     insert :: s a -> a -> s a
1141 </programlisting>
1142
1143
1144 which makes the connection between the type of a collection of
1145 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1146 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1147 class like this:
1148
1149
1150 <programlisting>
1151   class CollE s where
1152     empty  :: s
1153
1154   class CollE s => Coll s a where
1155     insert :: s -> a -> s
1156 </programlisting>
1157
1158
1159 </para>
1160 </listitem>
1161
1162 </OrderedList>
1163
1164 </para>
1165
1166 </sect3>
1167
1168 <sect3 id="instance-decls">
1169 <title>Instance declarations</title>
1170
1171 <para>
1172
1173 <OrderedList>
1174 <listitem>
1175
1176 <para>
1177  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1178 declarations
1179
1180
1181 <programlisting>
1182   instance context1 => C type1 where ...
1183   instance context2 => C type2 where ...
1184 </programlisting>
1185
1186
1187 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
1188
1189 However, if you give the command line option
1190 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1191 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1192 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1193 if another instance declaration also applies, either now or later.
1194
1195 <itemizedlist>
1196 <listitem>
1197
1198 <para>
1199  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1200 </para>
1201 </listitem>
1202 <listitem>
1203
1204 <para>
1205  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1206 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1207 </para>
1208 </listitem>
1209 </itemizedlist>
1210 Notice that these rules
1211 <itemizedlist>
1212 <listitem>
1213
1214 <para>
1215  make it clear which instance decl to use
1216 (pick the most specific one that matches)
1217
1218 </para>
1219 </listitem>
1220 <listitem>
1221
1222 <para>
1223  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1224 Reason: you can pick which instance decl
1225 "matches" based on the type.
1226 </para>
1227 </listitem>
1228
1229 </itemizedlist>
1230 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1231 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1232 <programlisting>
1233   instance C (Int,a) where ...
1234   instance C (a,Bool) where ...
1235 </programlisting>
1236 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1237 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1238 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1239 </para>
1240 <para>
1241 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1242 <programlisting>
1243   class C a where { op :: a -> a }
1244   instance C [Int] where ...
1245   instance C a => C [a] where ...
1246   
1247   f :: C b => [b] -> [b]
1248   f x = op x
1249 </programlisting>
1250 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1251 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1252 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1253 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1254 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1255 the problem of subsequent instantiations.
1256 </para>
1257 <para>
1258 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1259 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1260 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1261 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1262 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1263 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1264 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1265 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1266
1267 </para>
1268 </listitem>
1269 <listitem>
1270
1271 <para>
1272  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
1273 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
1274 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
1275 example, these are OK:
1276
1277
1278 <programlisting>
1279   instance C Int a where ...
1280
1281   instance D (Int, Int) where ...
1282
1283   instance E [[a]] where ...
1284 </programlisting>
1285
1286
1287 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1288 For example, this is OK:
1289
1290
1291 <programlisting>
1292   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1293 </programlisting>
1294
1295 See <xref linkend="undecidable-instances"> for an experimental
1296 extension to lift this restriction.
1297 </para>
1298 </listitem>
1299 <listitem>
1300
1301 <para>
1302  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
1303 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
1304 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1305
1306
1307 <programlisting>
1308   type Point = (Int,Int)
1309   instance C Point   where ...
1310   instance C [Point] where ...
1311 </programlisting>
1312
1313
1314 is legal.  However, if you added
1315
1316
1317 <programlisting>
1318   instance C (Int,Int) where ...
1319 </programlisting>
1320
1321
1322 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1323 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1324 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1325
1326
1327 <programlisting>
1328   type P a = [[a]]
1329   instance Monad P where ...
1330 </programlisting>
1331
1332
1333 This design decision is independent of all the others, and easily
1334 reversed, but it makes sense to me.
1335
1336 </para>
1337 </listitem>
1338 <listitem>
1339
1340 <para>
1341 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
1342 be type variables</emphasis>. Thus
1343
1344
1345 <programlisting>
1346 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1347 </programlisting>
1348
1349
1350 is OK, but
1351
1352
1353 <programlisting>
1354 instance C Int b => Foo b where ...
1355 </programlisting>
1356
1357
1358 is not OK.  See <xref linkend="undecidable-instances"> for an experimental
1359 extension to lift this restriction.
1360
1361
1362
1363 </para>
1364 </listitem>
1365
1366 </OrderedList>
1367
1368 </para>
1369
1370 </sect3>
1371
1372 </sect2>
1373
1374 <sect2 id="undecidable-instances">
1375 <title>Undecidable instances</title>
1376
1377 <para>The rules for instance declarations state that:
1378 <itemizedlist>
1379 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1380 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1381 </para></listitem>
1382 <listitem><para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1383 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1384 </para></listitem>
1385 </itemizedlist>
1386 These restrictions ensure that 
1387 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1388 constructor.  For example, the following would make the type checker
1389 loop if it wasn't excluded:
1390 <programlisting>
1391   instance C a => C a where ...
1392 </programlisting>
1393 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1394 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1395 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1396 something more specific does not:
1397
1398
1399 <programlisting>
1400   instance C a where
1401     op = ... -- Default
1402 </programlisting>
1403
1404
1405 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1406 effect of a "class synonym":
1407
1408
1409 <programlisting>
1410   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1411
1412   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1413 </programlisting>
1414
1415
1416 This allows you to write shorter signatures:
1417
1418
1419 <programlisting>
1420   f :: C a => ...
1421 </programlisting>
1422
1423
1424 instead of
1425
1426
1427 <programlisting>
1428   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1429 </programlisting>
1430
1431
1432 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1433 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1434 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1435 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1436 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1437 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1438 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1439 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1440 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1441 </para>
1442 <para>
1443 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1444 allowing these idioms interesting idioms.  
1445 </para>
1446 </sect2>
1447
1448 <sect2 id="implicit-parameters">
1449 <title>Implicit parameters
1450 </title>
1451
1452 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1453 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1454 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1455 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1456 Boston, Jan 2000.
1457 </para>
1458 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
1459 <para>
1460 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1461 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1462 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1463 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1464 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1465 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1466 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1467 only support static scoping of variables.
1468 </para>
1469 <para>
1470 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1471 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1472 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1473 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1474 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1475 of type <literal>t'</literal>". For
1476 example, the following expresses the type of a sort function,
1477 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1478 <programlisting>
1479   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1480 </programlisting>
1481 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1482 </para>
1483 <para>
1484 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1485 where <literal>x</literal> is
1486 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1487 Use of this construct also introduces a new
1488 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1489 For example, the following definition
1490 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1491 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1492 <programlisting>
1493   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1494
1495   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1496   sort    = sortBy ?cmp
1497 </programlisting>
1498 </para>
1499
1500 <sect3>
1501 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1502 <para>
1503 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1504 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1505 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1506 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1507 to pick out the least value in a list:
1508 <programlisting>
1509   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1510   least xs = fst (sort xs)
1511 </programlisting>
1512 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1513 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1514 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1515 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1516 propagate them.
1517 </para>
1518 <para>
1519 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1520 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1521 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1522 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1523 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1524 class constraints.
1525 </para>
1526
1527 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1528 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
1529 <programlisting>
1530   class (?x::Int) => C a where ...
1531   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
1532 </programlisting>
1533 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
1534 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
1535 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
1536 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
1537 <para>
1538 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
1539 <programlisting>
1540    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
1541    f n = n + length ?x
1542
1543    g :: (Read a, Show a) => String -> String
1544    g s = show (read s)
1545 </programlisting>
1546 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
1547 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
1548 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
1549 </para>
1550 </sect3>
1551
1552 <sect3>
1553 <title>Implicit-parameter bindings</title>
1554
1555 <para>
1556 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
1557 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
1558 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
1559 <literal>cmp</literal>.
1560 <programlisting>
1561   min :: [a] -> a
1562   min  = let ?cmp = (<=) in least
1563 </programlisting>
1564 </para>
1565 <para>
1566 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
1567 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
1568 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
1569 or a <literal>where</literal> clause.
1570 Note the following points:
1571 <itemizedlist>
1572 <listitem><para>
1573 An implicit-parameter binding group must be a
1574 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
1575 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
1576 neither polymorphic or recursive.  
1577 </para></listitem>
1578 <listitem><para>
1579 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
1580 single <literal>let</literal>
1581 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
1582 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
1583 </para></listitem>
1584
1585 <listitem><para>
1586 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
1587 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
1588 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
1589 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
1590 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
1591 the meaning of the program.
1592 For example, consider:
1593 <programlisting>
1594   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
1595 </programlisting>
1596 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
1597 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
1598 <programlisting>
1599   f :: (?x::Int) => Int -> Int
1600 </programlisting>
1601 </para></listitem>
1602 </itemizedlist>
1603 </para>
1604
1605 </sect3>
1606 </sect2>
1607
1608 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
1609 <title>Linear implicit parameters
1610 </title>
1611 <para>
1612 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
1613 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
1614 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
1615 </para>
1616 <itemizedlist>
1617 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
1618 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
1619 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
1620 </itemizedlist>
1621
1622 <para>
1623 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
1624 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
1625 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
1626 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
1627 (The '/' in the '%' suggests the split!)
1628 </para>
1629 <para>
1630 For example:
1631 <programlisting>
1632     import GHC.Exts( Splittable )
1633
1634     data NameSupply = ...
1635     
1636     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
1637     newName :: NameSupply -> Name
1638
1639     instance Splittable NameSupply where
1640         split = splitNS
1641
1642
1643     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1644     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1645                     where
1646                       x'   = newName %ns
1647                       env' = extend env x x'
1648     ...more equations for f...
1649 </programlisting>
1650 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
1651 <itemizedlist>
1652 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
1653 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
1654 </itemizedlist>
1655 </para>
1656 <para>
1657 So the translation done by the type checker makes
1658 the parameter explicit:
1659 <programlisting>
1660     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
1661     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
1662                        where
1663                          (ns1,ns2) = splitNS ns
1664                          x' = newName ns2
1665                          env = extend env x x'
1666 </programlisting>
1667 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
1668 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
1669 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
1670 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
1671 <programlisting>
1672         class Splittable a where
1673           split :: a -> (a,a)
1674 </programlisting>
1675 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1676 split for name supplies.  But we can simply write
1677 <programlisting>
1678         g x = (x, %ns, %ns)
1679 </programlisting>
1680 and GHC will infer
1681 <programlisting>
1682         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1683 </programlisting>
1684 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1685 <literal>GHC.Exts</literal>.
1686 </para>
1687 <para>
1688 Other points:
1689 <itemizedlist>
1690 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1691 are entirely distinct implicit parameters: you 
1692   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1693 </listitem>
1694
1695 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1696
1697 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1698   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1699 </itemizedlist>
1700 </para>
1701
1702 <sect3><title>Warnings</title>
1703
1704 <para>
1705 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1706 Consider the example above:
1707 <programlisting>
1708     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1709     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1710                     where
1711                       x'   = newName %ns
1712                       env' = extend env x x'
1713 </programlisting>
1714 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1715 usually a harmless thing to do, we get:
1716 <programlisting>
1717     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1718     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1719                     where
1720                       env' = extend env x (newName %ns)
1721 </programlisting>
1722 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1723 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1724 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1725 the beta rule.
1726 </para>
1727 <para>
1728 Well, this is an experimental change.  With implicit
1729 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1730 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1731 Haskell programs without knowing their typing.
1732 </para>
1733
1734 </sect3>
1735
1736 <sect3><title>Recursive functions</title>
1737 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
1738 Consider
1739 <programlisting>
1740         foo :: %x::T => Int -> [Int]
1741         foo 0 = []
1742         foo n = %x : foo (n-1)
1743 </programlisting>
1744 where T is some type in class Splittable.</para>
1745 <para>
1746 Do you get a list of all the same T's or all different T's
1747 (assuming that split gives two distinct T's back)?
1748 </para><para>
1749 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
1750 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
1751 translated term, where the implicit param is made explicit:
1752 <programlisting>
1753         foo x 0 = []
1754         foo x n = let (x1,x2) = split x
1755                   in x1 : foo x2 (n-1)
1756 </programlisting>
1757 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
1758 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
1759 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
1760 work.  So the translation becomes
1761 <programlisting>
1762         foo x = let
1763                   foom 0 = []
1764                   foom n = x : foom (n-1)
1765                 in
1766                 foom
1767 </programlisting>
1768 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
1769 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
1770 Yikes!
1771 </para><para>
1772 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
1773 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
1774 </para>
1775 </sect3>
1776
1777 </sect2>
1778
1779 <sect2 id="functional-dependencies">
1780 <title>Functional dependencies
1781 </title>
1782
1783 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1784 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1785 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1786 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1787 .
1788 </para>
1789 <para>
1790 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1791 class declaration;  e.g. 
1792 <programlisting>
1793   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1794
1795   class Foo a b c | a b -> c where ...
1796 </programlisting>
1797 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1798 </para>
1799 </sect2>
1800
1801
1802 <sect2 id="universal-quantification">
1803 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1804 </title>
1805
1806 <para>
1807 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1808 allows us to say exactly what this means.  For example:
1809 </para>
1810 <para>
1811 <programlisting>
1812         g :: b -> b
1813 </programlisting>
1814 means this:
1815 <programlisting>
1816         g :: forall b. (b -> b)
1817 </programlisting>
1818 The two are treated identically.
1819 </para>
1820
1821 <para>
1822 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1823 explicit universal quantification in
1824 types. 
1825 For example, all the following types are legal:
1826 <programlisting>
1827     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1828     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1829
1830     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1831     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1832
1833     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1834 </programlisting>
1835 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1836 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1837 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1838 is implicitly added by Haskell.
1839 </para>
1840 <para>
1841 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1842 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1843 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1844 </para>
1845 <para>
1846 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1847 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1848 </para>
1849 <para>
1850 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1851 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1852 that restriction has now been lifted.)
1853 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1854 including an operational type class context, is legal:
1855 <itemizedlist>
1856 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1857 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1858 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1859 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1860 field type signatures.</para> </listitem>
1861 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1862 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1863 </itemizedlist>
1864 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1865 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1866 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1867 <programlisting>
1868     x1 :: [forall a. a->a]
1869     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1870     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1871 </programlisting>
1872 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1873 a type variable any more!
1874 </para>
1875
1876
1877 <sect3 id="univ">
1878 <title>Examples
1879 </title>
1880
1881 <para>
1882 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1883 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1884 </para>
1885
1886 <para>
1887
1888 <programlisting>
1889 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1890
1891 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1892                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1893                         }
1894
1895 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1896 </programlisting>
1897
1898 </para>
1899
1900 <para>
1901 The constructors have rank-2 types:
1902 </para>
1903
1904 <para>
1905
1906 <programlisting>
1907 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1908 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1909                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1910                   -> MonadT m
1911 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1912 </programlisting>
1913
1914 </para>
1915
1916 <para>
1917 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1918 explicit context.  For example in the first argument of the
1919 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1920 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1921 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1922 mentioned in the type quantified over.
1923 </para>
1924
1925 <para>
1926 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1927 types too.  So if you write this:
1928
1929 <programlisting>
1930   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1931 </programlisting>
1932
1933 it's just as if you had written this:
1934
1935 <programlisting>
1936   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1937 </programlisting>
1938
1939 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1940 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1941 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1942 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1943 </para>
1944
1945 <para>
1946 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1947 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1948 </para>
1949
1950 <para>
1951
1952 <programlisting>
1953     a1 :: T Int
1954     a1 = T1 (\xy->x) 3
1955     
1956     a2, a3 :: Swizzle
1957     a2 = MkSwizzle sort
1958     a3 = MkSwizzle reverse
1959     
1960     a4 :: MonadT Maybe
1961     a4 = let r x = Just x
1962              b m k = case m of
1963                        Just y -> k y
1964                        Nothing -> Nothing
1965          in
1966          MkMonad r b
1967
1968     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1969     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1970 </programlisting>
1971
1972 </para>
1973
1974 <para>
1975 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1976 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1977 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1978 </para>
1979
1980 <para>
1981 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1982 polymorphic types.  For example:
1983 </para>
1984
1985 <para>
1986
1987 <programlisting>
1988     f :: T a -> a -> (a, Char)
1989     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1990
1991     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1992     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1993
1994     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1995     h m [] = return m []
1996     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1997                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1998                  return m (y:ys)
1999 </programlisting>
2000
2001 </para>
2002
2003 <para>
2004 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2005 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2006 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2007 matching.
2008 </para>
2009 </sect3>
2010
2011 <sect3>
2012 <title>Type inference</title>
2013
2014 <para>
2015 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2016 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2017 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2018 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2019 </para>
2020 <para>
2021 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2022 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2023 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2024 </para>
2025 <para>
2026 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2027 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2028 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
2029 <programlisting>
2030      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2031 </programlisting>
2032 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2033 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2034 <programlisting>
2035      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2036 </programlisting>
2037 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2038 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2039 one can give a type signature for the function itself:
2040 <programlisting>
2041      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2042      h f = (f True, f 'c')
2043 </programlisting>
2044 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2045 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2046 <programlisting>
2047     f :: T a -> a -> (a, Char)
2048     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2049 </programlisting>
2050 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2051 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2052 it needs to know.
2053 </para>
2054
2055 </sect3>
2056
2057
2058 <sect3 id="implicit-quant">
2059 <title>Implicit quantification</title>
2060
2061 <para>
2062 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2063 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2064 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2065 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2066 equivalent:
2067 <programlisting>
2068   f :: a -> a
2069   f :: forall a. a -> a
2070
2071   g (x::a) = let
2072                 h :: a -> b -> b
2073                 h x y = y
2074              in ...
2075   g (x::a) = let
2076                 h :: forall b. a -> b -> b
2077                 h x y = y
2078              in ...
2079 </programlisting>
2080 </para>
2081 <para>
2082 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2083 point.  For example:
2084 <programlisting>
2085   f :: (a -> a) -> Int
2086            -- MEANS
2087   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2088            -- NOT
2089   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2090
2091
2092   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2093            -- MEANS the illegal type
2094   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2095            -- NOT
2096   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2097 </programlisting>
2098 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2099 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2100 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2101 for rank-2 types.
2102 </para>
2103 </sect3>
2104 </sect2>
2105
2106 <sect2 id="type-synonyms">
2107 <title>Liberalised type synonyms 
2108 </title>
2109
2110 <para>
2111 Type synonmys are like macros at the type level, and
2112 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
2113 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
2114 <itemizedlist>
2115 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
2116 in a type synonym, thus:
2117 <programlisting>
2118   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
2119
2120   f :: Discard a
2121   f x y = (x, show y)
2122
2123   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
2124   g f = f Int True
2125 </programlisting>
2126 </para>
2127 </listitem>
2128
2129 <listitem><para>
2130 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
2131 <programlisting>
2132   type Pr = (# Int, Int #)
2133
2134   h :: Int -> Pr
2135   h x = (# x, x #)
2136 </programlisting>
2137 </para></listitem>
2138
2139 <listitem><para>
2140 You can apply a type synonym to a forall type:
2141 <programlisting>
2142   type Foo a = a -> a -> Bool
2143  
2144   f :: Foo (forall b. b->b)
2145 </programlisting>
2146 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
2147 <programlisting>
2148   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
2149 </programlisting>
2150 </para></listitem>
2151
2152 <listitem><para>
2153 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
2154 <programlisting>
2155   type Generic i o = forall x. i x -> o x
2156   type Id x = x
2157   
2158   foo :: Generic Id []
2159 </programlisting>
2160 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
2161 <programlisting>
2162   foo :: forall x. x -> [x]
2163 </programlisting>
2164 </para></listitem>
2165
2166 </itemizedlist>
2167 </para>
2168
2169 <para>
2170 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
2171 could be changed.)
2172 </para>
2173 <para>
2174 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
2175 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
2176 <itemizedlist>
2177 <listitem><para>
2178 Type constructor applied to a type involving for-alls.
2179 </para></listitem>
2180 <listitem><para>
2181 Unboxed tuple on left of an arrow.
2182 </para></listitem>
2183 <listitem><para>
2184 Partially-applied type synonym.
2185 </para></listitem>
2186 </itemizedlist>
2187 So, for example,
2188 this will be rejected:
2189 <programlisting>
2190   type Pr = (# Int, Int #)
2191
2192   h :: Pr -> Int
2193   h x = ...
2194 </programlisting>
2195 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
2196 </para>
2197 </sect2>
2198
2199 <sect2 id="hoist">
2200 <title>For-all hoisting</title>
2201 <para>
2202 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
2203 end of an arrow, thus:
2204 <programlisting>
2205   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2206
2207   g :: Int -> Discard Int
2208   g x y z = x+y
2209 </programlisting>
2210 Simply expanding the type synonym would give
2211 <programlisting>
2212   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2213 </programlisting>
2214 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2215 <programlisting>
2216   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2217 </programlisting>
2218 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2219 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2220 performs the transformation:</emphasis>
2221 <programlisting>
2222   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2223 ==>
2224   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2225 </programlisting>
2226 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2227 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2228 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2229 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2230 <programlisting>
2231   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2232 </programlisting>
2233 </para>
2234 <para>
2235 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2236 example:
2237 <programlisting>
2238   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2239   g :: Foo (Foo Int)
2240 </programlisting>
2241 means
2242 <programlisting>
2243   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2244 </programlisting>
2245 </para>
2246 </sect2>
2247
2248
2249 <sect2 id="existential-quantification">
2250 <title>Existentially quantified data constructors
2251 </title>
2252
2253 <para>
2254 The idea of using existential quantification in data type declarations
2255 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
2256 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
2257 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
2258 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
2259 </para>
2260
2261 <para>
2262
2263 <programlisting>
2264   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
2265            | Nil
2266 </programlisting>
2267
2268 </para>
2269
2270 <para>
2271 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
2272 </para>
2273
2274 <para>
2275
2276 <programlisting>
2277   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
2278   Nil   :: Foo
2279 </programlisting>
2280
2281 </para>
2282
2283 <para>
2284 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
2285 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
2286 For example, the following expression is fine:
2287 </para>
2288
2289 <para>
2290
2291 <programlisting>
2292   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
2293 </programlisting>
2294
2295 </para>
2296
2297 <para>
2298 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
2299 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
2300 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
2301 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
2302 </para>
2303
2304 <para>
2305 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
2306 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
2307 </para>
2308
2309 <para>
2310
2311 <programlisting>
2312   f (MkFoo val fn) = ???
2313 </programlisting>
2314
2315 </para>
2316
2317 <para>
2318 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
2319 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
2320 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
2321 </para>
2322
2323 <para>
2324
2325 <programlisting>
2326   f :: Foo -> Bool
2327   f (MkFoo val fn) = fn val
2328 </programlisting>
2329
2330 </para>
2331
2332 <para>
2333 What this allows us to do is to package heterogenous values
2334 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
2335 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
2336 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
2337 </para>
2338
2339 <sect3 id="existential">
2340 <title>Why existential?
2341 </title>
2342
2343 <para>
2344 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
2345 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
2346 </para>
2347
2348 <para>
2349
2350 <programlisting>
2351   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
2352 </programlisting>
2353
2354 </para>
2355
2356 <para>
2357 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
2358 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
2359 adding a new existential quantification construct.
2360 </para>
2361
2362 </sect3>
2363
2364 <sect3>
2365 <title>Type classes</title>
2366
2367 <para>
2368 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
2369 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
2370 </para>
2371
2372 <para>
2373
2374 <programlisting>
2375 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
2376          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
2377 </programlisting>
2378
2379 </para>
2380
2381 <para>
2382 The two constructors have the types you'd expect:
2383 </para>
2384
2385 <para>
2386
2387 <programlisting>
2388 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
2389 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
2390 </programlisting>
2391
2392 </para>
2393
2394 <para>
2395 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
2396 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
2397 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
2398 So this program is legal:
2399 </para>
2400
2401 <para>
2402
2403 <programlisting>
2404   f :: Baz -> String
2405   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
2406                | otherwise = "No"
2407   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
2408 </programlisting>
2409
2410 </para>
2411
2412 <para>
2413 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
2414 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
2415 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
2416 extract it on pattern matching.
2417 </para>
2418
2419 <para>
2420 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
2421 universal quantification earlier.
2422 </para>
2423
2424 </sect3>
2425
2426 <sect3>
2427 <title>Restrictions</title>
2428
2429 <para>
2430 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
2431 constructors can be use.
2432 </para>
2433
2434 <para>
2435
2436 <itemizedlist>
2437 <listitem>
2438
2439 <para>
2440  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
2441 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
2442 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
2443 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
2444
2445
2446 <programlisting>
2447 f1 (MkFoo a f) = a
2448 </programlisting>
2449
2450
2451 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
2452 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
2453 ask what type <function>f1</function> has:
2454
2455
2456 <programlisting>
2457   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
2458 </programlisting>
2459
2460
2461 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
2462 this:
2463
2464
2465 <programlisting>
2466   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
2467 </programlisting>
2468
2469
2470 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
2471
2472
2473 <programlisting>
2474   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
2475 </programlisting>
2476
2477
2478 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
2479 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
2480 from the two <function>Baz1</function> constructors.
2481
2482
2483 </para>
2484 </listitem>
2485 <listitem>
2486
2487 <para>
2488 You can't pattern-match on an existentially quantified
2489 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
2490 bindings. So this is illegal:
2491
2492
2493 <programlisting>
2494   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
2495 </programlisting>
2496
2497 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
2498
2499 <programlisting>
2500   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
2501 </programlisting>
2502
2503 In general, you can only pattern-match
2504 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
2505 in the patterns of a function definition.
2506
2507 The reason for this restriction is really an implementation one.
2508 Type-checking binding groups is already a nightmare without
2509 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
2510 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
2511 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
2512 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
2513 annoying it is.
2514
2515 </para>
2516 </listitem>
2517 <listitem>
2518
2519 <para>
2520 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
2521 declarations.  So this is illegal:
2522
2523
2524 <programlisting>
2525   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
2526 </programlisting>
2527
2528
2529 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
2530 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
2531 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
2532 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
2533 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
2534 overloading involved, then there is more of a case for allowing
2535 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
2536 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
2537 but single-field existentially quantified constructors aren't much
2538 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
2539 stands, unless there are convincing reasons to change it.
2540
2541
2542 </para>
2543 </listitem>
2544 <listitem>
2545
2546 <para>
2547  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
2548 data type with existentially quantified data constructors.
2549
2550 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
2551
2552 <programlisting>
2553 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
2554 </programlisting>
2555
2556 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
2557 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
2558
2559 <programlisting>
2560 instance Eq T where
2561   (MkT a) == (MkT b) = ???
2562 </programlisting>
2563
2564 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
2565 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
2566 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
2567 declarations.  Define your own instances!
2568 </para>
2569 </listitem>
2570
2571 </itemizedlist>
2572
2573 </para>
2574
2575 </sect3>
2576
2577 </sect2>
2578
2579 <sect2 id="scoped-type-variables">
2580 <title>Scoped type variables
2581 </title>
2582
2583 <para>
2584 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2585 variable</emphasis>.  For example
2586 </para>
2587
2588 <para>
2589
2590 <programlisting>
2591 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2592            where
2593               ys :: [a]
2594               ys = reverse xs
2595 </programlisting>
2596
2597 </para>
2598
2599 <para>
2600 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
2601 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2602 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2603 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
2604 </para>
2605
2606 <para>
2607  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2608 type signatures.  The two can be used independently or together.
2609 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
2610 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2611 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2612 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2613 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
2614 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
2615 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2616 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
2617 it becomes possible to do so.
2618 </para>
2619
2620 <para>
2621 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2622 implementations differ from the specification below, those differences
2623 are noted.
2624 </para>
2625
2626 <para>
2627 So much for the basic idea.  Here are the details.
2628 </para>
2629
2630 <sect3>
2631 <title>What a pattern type signature means</title>
2632 <para>
2633 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2634 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2635 of the same name mean the same type.  For example:
2636 <programlisting>
2637   f :: [Int] -> Int -> Int
2638   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2639 </programlisting>
2640 The pattern type signatures on the left hand side of
2641 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2642 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2643 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2644 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2645 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2646 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2647 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2648 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2649 For example, all of these are legal:</para>
2650
2651 <programlisting>
2652   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2653
2654   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2655
2656   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2657
2658   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2659         in k x                  -- environment
2660
2661   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2662   k (x::Int) False = ...
2663
2664   w :: [b] -> [b]
2665   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2666 </programlisting>
2667
2668 </sect3>
2669
2670 <sect3>
2671 <title>Scope and implicit quantification</title>
2672
2673 <para>
2674
2675 <itemizedlist>
2676 <listitem>
2677
2678 <para>
2679 All the type variables mentioned in a pattern,
2680 that are not already in scope,
2681 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2682 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2683 For example:
2684 <programlisting>
2685   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2686              in
2687              g (x,True)
2688 </programlisting>
2689 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2690 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2691 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2692 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2693 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2694 </para>
2695 </listitem>
2696
2697 <listitem>
2698 <para>
2699 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2700 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2701 <programlisting>
2702   let
2703     f (x::a) = <...rhs of f...>
2704     (p::b, q::b) = (1,2)
2705   in <...body of let...>
2706 </programlisting>
2707 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2708 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2709 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2710 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2711 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2712 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2713 </para>
2714 </listitem>
2715
2716
2717 <listitem>
2718 <para>
2719 The type variables bound by the pattern may be 
2720 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2721 type signatures anywhere within their scope.
2722
2723 </para>
2724 </listitem>
2725
2726 <listitem>
2727 <para>
2728  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2729 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2730
2731 </para>
2732 </listitem>
2733
2734 <listitem>
2735
2736 <para>
2737  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2738 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2739
2740 <programlisting>
2741   f :: a -> a
2742   f x = x::a
2743 </programlisting>
2744
2745 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2746 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2747 and that is an incorrect typing.
2748
2749 </para>
2750 </listitem>
2751
2752 <listitem>
2753 <para>
2754 The pattern type signature is a monotype:
2755 </para>
2756
2757 <itemizedlist>
2758 <listitem> <para> 
2759 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2760 </para> </listitem>
2761
2762 <listitem>  <para> 
2763 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2764 not to type schemes.
2765 </para> </listitem>
2766
2767 <listitem>  <para> 
2768 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2769 ordinary type signatures).
2770 </para> </listitem>
2771
2772 </itemizedlist>
2773
2774 </listitem>
2775
2776 <listitem>
2777 <para>
2778
2779 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2780 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2781
2782
2783 <programlisting>
2784   class C a where
2785     op :: [a] -> a
2786
2787     op xs = let ys::[a]
2788                 ys = reverse xs
2789             in
2790             head ys
2791 </programlisting>
2792
2793
2794 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2795 </para>
2796 </listitem>
2797
2798 </itemizedlist>
2799
2800 </para>
2801
2802 </sect3>
2803
2804 <sect3>
2805 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2806
2807 <para>
2808 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2809 <itemizedlist>
2810
2811 <listitem>
2812 <para>
2813 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2814 ust on a variable:
2815
2816
2817 <programlisting>
2818   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2819 </programlisting>
2820
2821
2822 </para>
2823 </listitem>
2824 <listitem>
2825
2826 <para>
2827  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2828 in lambda abstractions:
2829
2830 <programlisting>
2831   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2832 </programlisting>
2833 </para>
2834 </listitem>
2835 <listitem>
2836
2837 <para>
2838  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2839 in <literal>case</literal> expressions:
2840
2841
2842 <programlisting>
2843   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2844 </programlisting>
2845
2846 </para>
2847 </listitem>
2848
2849 <listitem>
2850 <para>
2851 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2852 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2853 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2854 consider how one would parse this:
2855
2856
2857 <programlisting>
2858   \ x :: a -> b -> x
2859 </programlisting>
2860
2861
2862 </para>
2863 </listitem>
2864
2865 <listitem>
2866
2867 <para>
2868  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2869 For example:
2870
2871
2872 <programlisting>
2873   data T = forall a. MkT [a]
2874
2875   f :: T -> T
2876   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2877                  where
2878                    t3::[a] = [t,t,t]
2879 </programlisting>
2880
2881
2882 </para>
2883 </listitem>
2884
2885
2886 <listitem>
2887
2888 <para>
2889 Pattern type signatures 
2890 can be used in pattern bindings:
2891
2892 <programlisting>
2893   f x = let (y, z::a) = x in ...
2894   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2895   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2896   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2897 </programlisting>
2898
2899 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2900 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2901 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2902 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2903 In contrast, the binding
2904 <programlisting>
2905   f4 :: b->b
2906   f4 = \x -> x
2907 </programlisting>
2908 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2909 in <literal>f4</literal>'s scope.
2910
2911 </para>
2912 </listitem>
2913 </itemizedlist>
2914 </para>
2915
2916 </sect3>
2917
2918 <sect3>
2919 <title>Result type signatures</title>
2920
2921 <para>
2922 The result type of a function can be given a signature, thus:
2923
2924
2925 <programlisting>
2926   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2927 </programlisting>
2928
2929
2930 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2931 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2932 you want:
2933
2934
2935 <programlisting>
2936   f :: Int -> [a] -> [a]
2937   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2938                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2939 </programlisting>
2940
2941 </para>
2942 <para>
2943 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
2944 of the definition. However, consider this corner-case:
2945 <programlisting>
2946   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2947
2948   foo ys = rev (ys::[a])
2949 </programlisting>
2950 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
2951 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
2952 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
2953 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
2954 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
2955 </para>
2956 <para>
2957 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
2958 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
2959 is polymorphic:
2960 <programlisting>
2961   rev1 :: [b] -> [b]
2962   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
2963 </programlisting>
2964 </para>
2965
2966 <para>
2967 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2968 </para>
2969
2970 </sect3>
2971
2972 </sect2>
2973
2974 <sect2 id="newtype-deriving">
2975 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
2976
2977 <para>
2978 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
2979 the new type to inherit some instances from its representation. In
2980 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
2981 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
2982 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
2983 example, if you define
2984
2985 <programlisting> 
2986   newtype Dollars = Dollars Int 
2987 </programlisting> 
2988
2989 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
2990 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
2991
2992 <programlisting> 
2993   instance Num Dollars where
2994     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
2995     ...
2996 </programlisting>
2997 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
2998 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
2999 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3000 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3001 dictionary, only slower!
3002 </para>
3003
3004
3005 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3006 <para>
3007 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3008 <programlisting> 
3009   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3010 </programlisting> 
3011
3012 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3013 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3014 derives an instance declaration of the form
3015
3016 <programlisting> 
3017   instance Num Int => Num Dollars
3018 </programlisting> 
3019
3020 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3021 </para>
3022 <para>
3023
3024 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3025 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3026 transformers, such that
3027
3028 <programlisting> 
3029   instance Monad m => Monad (State s m) 
3030   instance Monad m => Monad (Failure m)
3031 </programlisting> 
3032 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3033 <programlisting> 
3034   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3035 </programlisting> 
3036
3037 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3038 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3039 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3040
3041 <programlisting> 
3042   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3043                          deriving Monad
3044 </programlisting>
3045 In this case the derived instance declaration is of the form 
3046 <programlisting> 
3047   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3048 </programlisting> 
3049
3050 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3051 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3052 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3053 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3054 declaration.
3055 </para>
3056 <para>
3057
3058 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3059 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3060 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3061 clause. For example, given the class
3062
3063 <programlisting> 
3064   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3065   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3066 </programlisting> 
3067 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3068 <programlisting> 
3069   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3070                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3071 </programlisting>
3072
3073 The derived instance is obtained by completing the application of the
3074 class to the new type:
3075
3076 <programlisting> 
3077   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3078            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3079 </programlisting>
3080 </para>
3081 <para>
3082
3083 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3084 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3085 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3086 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3087 the newtype and its representation.
3088 </para>
3089 </sect3>
3090
3091 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3092 <para>
3093 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3094 declaration (after expansion of any type synonyms)
3095
3096 <programlisting> 
3097   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3098 </programlisting> 
3099
3100 where 
3101  <itemizedlist>
3102 <listitem><para>
3103   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3104 </para></listitem>
3105 <listitem><para>
3106   <literal>t1...tk</literal> are types,
3107 </para></listitem>
3108 <listitem><para>
3109   <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3110   the <literal>ti</literal>, and
3111 </para></listitem>
3112 <listitem><para>
3113   the <literal>ci</literal> are partial applications of
3114   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3115   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3116 </para></listitem>
3117 </itemizedlist>
3118 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3119 declaration is:
3120 <programlisting> 
3121   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3122 </programlisting>
3123 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3124 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3125 </para>
3126 <para>
3127
3128 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3129 <programlisting> 
3130   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3131 </programlisting> 
3132 Here we cannot derive the instance 
3133 <programlisting> 
3134   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3135 </programlisting> 
3136
3137 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3138 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3139 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3140 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3141 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3142 </para>
3143 <para>
3144
3145 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3146 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3147 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3148
3149 <programlisting> 
3150   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3151 </programlisting>
3152
3153 then we would not have been able to derive an instance for the
3154 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3155 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3156 instances is most interesting.
3157 </para>
3158 </sect3>
3159
3160 </sect2>
3161
3162
3163 </sect1>
3164 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3165   
3166 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3167
3168 <sect1 id="template-haskell">
3169 <title>Template Haskell</title>
3170
3171 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  The background 
3172 the main technical innovations are discussed in "<ulink
3173 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3174 Template Meta-programming for Haskell</ulink>", in 
3175 Proc Haskell Workshop 2002.
3176 </para>
3177
3178 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3179 </para>
3180
3181 <para>
3182 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3183 Tim Sheard is going to expand it.)
3184 </para>
3185
3186 <sect2>  <title> Syntax </title>
3187 <para>
3188     Template Haskell has the following new syntactic constructions.  You need to use the flag  
3189                 <literal>-fglasgow-exts</literal> to switch these syntactic extensions on.
3190
3191         <itemizedlist>
3192               <listitem><para>
3193                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3194                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3195                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3196                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3197                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3198                   </para>
3199               <para> A splice can occur in place of 
3200                   <itemizedlist>
3201                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3202                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3203                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3204                     </itemizedlist>
3205            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3206         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3207         as in the paper.)
3208                 </para></listitem>
3209
3210
3211               <listitem><para>
3212                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3213                   <itemizedlist>
3214                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3215                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3216                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3217                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3218                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3219                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3220                   </itemizedlist></para></listitem>
3221
3222               <listitem><para>
3223                   Reification is written thus:
3224                   <itemizedlist>
3225                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3226                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3227                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3228                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3229                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3230                     
3231                   </itemizedlist></para>
3232                 </listitem>
3233
3234                   
3235         </itemizedlist>
3236 </para>
3237 </sect2>
3238
3239 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3240 <para>
3241 <itemizedlist>
3242     <listitem><para>
3243     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3244     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3245     </para></listitem>
3246
3247     <listitem><para>
3248     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3249             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3250             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3251    </para></listitem>
3252
3253     <listitem><para>
3254             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3255    </para></listitem>
3256     <listitem><para>
3257             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3258               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3259               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3260               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3261               those of the compiler itself.
3262    </para></listitem>
3263 </itemizedlist>
3264 </para>
3265 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3266         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3267         has been lifted.
3268 </para>
3269 </sect2>
3270  
3271 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3272 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3273   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3274
3275 <programlisting>
3276 {- Main.hs -}
3277 module Main where
3278
3279 -- Import our template "pr"
3280 import Printf ( pr )
3281
3282 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3283 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3284 -- the argument of "putStrLn".
3285 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3286 </programlisting>
3287
3288 <programlisting>
3289 {- Printf.hs -}
3290 module Printf where
3291
3292 -- Skeletal printf from the paper.
3293 -- It needs to be in a separate module to the one where
3294 -- you intend to use it.
3295
3296 -- Import some Template Haskell syntax
3297 import Language.Haskell.THSyntax
3298
3299 -- Describe a format string
3300 data Format = D | S | L String
3301
3302 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3303 -- as we are here interested in building our first ever
3304 -- Template Haskell program and not in building printf.
3305 parse :: String -> [Format]
3306 parse s   = [ L s ]
3307
3308 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3309 -- of the format string.  This code will be spliced into
3310 -- the module which calls "pr", at compile time.
3311 gen :: [Format] -> Expr
3312 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3313 gen [S]   = [| \s -> s |]
3314 gen [L s] = string s
3315
3316 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3317 -- from an input format string.
3318 pr :: String -> Expr
3319 pr s      = gen (parse s)
3320 </programlisting>
3321
3322 <para>Now run the compiler (here we are using a "stage three" build of GHC, at a Cygwin prompt on Windows):
3323 </para>
3324 <programlisting>
3325 ghc/compiler/stage3/ghc-inplace --make -fglasgow-exts -package haskell-src main.hs -o main.exe
3326 </programlisting>
3327
3328 <para>Run "main.exe" and here is your output:
3329 </para>
3330
3331 <programlisting>
3332 $ ./main
3333 Hello
3334 </programlisting>
3335
3336 </sect2>
3337  
3338 </sect1>
3339
3340 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3341
3342 <sect1 id="sec-assertions">
3343 <title>Assertions
3344 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3345 </title>
3346
3347 <para>
3348 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3349 could define a function like the following:
3350 </para>
3351
3352 <para>
3353
3354 <programlisting>
3355 assert :: Bool -> a -> a
3356 assert False x = error "assertion failed!"
3357 assert _     x = x
3358 </programlisting>
3359
3360 </para>
3361
3362 <para>
3363 which works, but gives you back a less than useful error message --
3364 an assertion failed, but which and where?
3365 </para>
3366
3367 <para>
3368 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3369 takes a descriptive string to include in the error message and
3370 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3371 the source location where <function>assert</function> was used.
3372 </para>
3373
3374 <para>
3375 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3376 use of <function>assert</function> in the user's source:
3377 </para>
3378
3379 <para>
3380
3381 <programlisting>
3382 kelvinToC :: Double -> Double
3383 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3384 </programlisting>
3385
3386 </para>
3387
3388 <para>
3389 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3390 assertion was made,
3391 </para>
3392
3393 <para>
3394
3395 <programlisting>
3396 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3397 </programlisting>
3398
3399 </para>
3400
3401 <para>
3402 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
3403 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
3404 can still define and use your own versions of
3405 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
3406 <literal>Control.Exception</literal> to make use
3407 <function>assert</function> in your code.
3408 </para>
3409
3410 <para>
3411 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
3412 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
3413 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
3414 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
3415 <literal>e</literal>.
3416 </para>
3417
3418 <para>
3419 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
3420 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
3421 </para>
3422
3423 </sect1>
3424
3425
3426 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
3427
3428   <sect1 id="pragmas">
3429     <title>Pragmas</title>
3430
3431     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
3432
3433     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
3434     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
3435     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
3436     of the generated code.</para>
3437
3438     <para>Pragmas all take the form
3439
3440 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
3441
3442     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
3443     pragma, and is followed optionally by information specific to that
3444     type of pragma.  Case is ignored in
3445     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
3446     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
3447     in the following sections; any pragma encountered with an
3448     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
3449     ignored.</para>
3450
3451 <sect2 id="inline-pragma">
3452 <title>INLINE pragma
3453
3454 <indexterm><primary>INLINE and NOINLINE pragmas</primary></indexterm>
3455 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
3456
3457 <para>
3458 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
3459 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
3460 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
3461 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
3462 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
3463 use.
3464 </para>
3465
3466 <para>
3467 The sledgehammer you can bring to bear is the
3468 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
3469
3470 <programlisting>
3471 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
3472
3473 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3474 {-# INLINE key_function #-}
3475 #endif
3476 </programlisting>
3477 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
3478 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
3479 </para>
3480
3481 <para>
3482 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
3483 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
3484 very keen to inline it.
3485 </para>
3486
3487 <para>
3488 Syntactially, an <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
3489 signature could be put.
3490 </para>
3491
3492 <para>
3493 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
3494 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
3495 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
3496
3497 <programlisting>
3498 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
3499 {-# INLINE thenUs #-}
3500 {-# INLINE returnUs #-}
3501 #endif
3502 </programlisting>
3503
3504 </para>
3505
3506 <sect3 id="noinline-pragma">
3507 <title>The NOINLINE pragma </title>
3508
3509 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
3510 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
3511 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
3512 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
3513
3514 <para>
3515 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
3516 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
3517 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
3518 size.
3519 </para>
3520
3521 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
3522 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
3523 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
3524 used if you want your code to be portable).</para>
3525 </sect3>
3526
3527
3528 <sect3 id="phase-control">
3529 <title>Phase control</title>
3530
3531 <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's pipeline
3532 the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens only during runs of
3533 the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each run of the simplifier has a different
3534 <emphasis>phase number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
3535 If you use <option>-dverbose-core2core</option>
3536 you'll see the sequence of phase numbers for successive runs of the simpifier.
3537 In an INLINE pragma you can optionally specify a phase number, thus:
3538 <itemizedlist>
3539 <listitem> <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2 and all subsequent
3540 phases":
3541 <programlisting>
3542   {-# INLINE [2] f #-}
3543 </programlisting>
3544 </para></listitem>
3545
3546 <listitem> <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all phases up to, but
3547 not including, Phase 3":
3548 <programlisting>
3549   {-# INLINE [~3] g #-}
3550 </programlisting>
3551 </para></listitem>
3552
3553 <listitem> <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in all phases".
3554 </para></listitem>
3555 </itemizedlist>
3556 You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:
3557 <itemizedlist>
3558 <listitem> <para>You can say "do not inline <literal>f</literal> until Phase 2; in 
3559 Phase 2 and subsequently behave as if there was no pragma at all":
3560 <programlisting>
3561   {-# NOINLINE [2] f #-}
3562 </programlisting>
3563 </para></listitem>
3564
3565 <listitem> <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in Phase 3 or any subsequent phase; 
3566 before that, behave as if there was no pragma":
3567 <programlisting>
3568   {-# NOINLINE [~3] g #-}
3569 </programlisting>
3570 </para></listitem>
3571
3572 <listitem> <para>If you omit the phase indicator, you mean "never inline this function".
3573 </para></listitem>
3574 </itemizedlist>
3575 </para>
3576 <para>The same phase-numbering control is available for RULES (<xref LinkEnd="rewrite-rules">).</para>
3577 </sect3>
3578
3579
3580
3581 </sect2>
3582
3583 <sect2 id="rules">
3584 <title>RULES pragma</title>
3585
3586 <para>
3587 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
3588 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
3589 </para>
3590
3591 </sect2>
3592
3593
3594     <sect2 id="specialize-pragma">
3595       <title>SPECIALIZE pragma</title>
3596
3597       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3598       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
3599       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3600
3601       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
3602       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
3603       specialised to particular types.  Thus, if you have an
3604       overloaded function:</para>
3605
3606 <programlisting>
3607 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
3608 </programlisting>
3609
3610       <para>If it is heavily used on lists with
3611       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
3612       follows:</para>
3613
3614 <programlisting>
3615 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
3616 </programlisting>
3617
3618       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
3619       be put anywhere its type signature could be put.</para>
3620
3621       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
3622       to use for the specialised value, as in:</para>
3623
3624 <programlisting>
3625 {-# RULES "hammeredLookup" hammeredLookup = blah #-}
3626 </programlisting>
3627
3628       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
3629       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
3630       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
3631       Responsibility</emphasis> to make sure that
3632       <function>blah</function> really behaves as a specialised
3633       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
3634
3635       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
3636       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
3637       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
3638       <xref linkend="rules"> for more information on
3639       <literal>RULES</literal>.</para>
3640
3641       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
3642       specialisation will Win Big:
3643
3644 <programlisting>
3645 toDouble :: Real a => a -> Double
3646 toDouble = fromRational . toRational
3647
3648 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
3649 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
3650 </programlisting>
3651
3652       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
3653       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
3654       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
3655       comparison.</para>
3656
3657     </sect2>
3658
3659 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
3660 <title>SPECIALIZE instance pragma
3661 </title>
3662
3663 <para>
3664 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
3665 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
3666 Same idea, except for instance declarations.  For example:
3667
3668 <programlisting>
3669 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
3670    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
3671    ... usual stuff ...
3672  }
3673 </programlisting>
3674 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
3675 of the instance declaration.
3676 </para>
3677 <para>
3678 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
3679 of the pragma.
3680 </para>
3681
3682 </sect2>
3683
3684 <sect2 id="line-pragma">
3685 <title>LINE pragma
3686 </title>
3687
3688 <para>
3689 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
3690 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
3691 </para>
3692
3693 <para>
3694 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
3695 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
3696 number and filename of the original code; for example
3697 </para>
3698
3699 <para>
3700
3701 <programlisting>
3702 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
3703 </programlisting>
3704
3705 </para>
3706
3707 <para>
3708 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
3709 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
3710 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
3711 pragma.
3712 </para>
3713
3714 </sect2>
3715
3716 <sect2 id="deprecated-pragma">
3717 <title>DEPRECATED pragma</title>
3718
3719 <para>
3720 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
3721 There are two forms.  
3722 </para>
3723 <itemizedlist>
3724 <listitem><para>
3725 You can deprecate an entire module thus:</para>
3726 <programlisting>
3727    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
3728      ...
3729 </programlisting>
3730 <para>
3731 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
3732 the specified message.</para>
3733 </listitem>
3734
3735 <listitem>
3736 <para>
3737 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
3738 </para>
3739 <programlisting>
3740    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
3741 </programlisting>
3742 <para>
3743 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
3744 GHC will print the specified message.
3745 </para>
3746 </listitem>
3747 </itemizedlist>
3748 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
3749
3750 </sect2>
3751
3752 </sect1>
3753
3754 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
3755
3756 <sect1 id="rewrite-rules">
3757 <title>Rewrite rules
3758
3759 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
3760 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
3761 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
3762
3763 <para>
3764 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
3765 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
3766 </para>
3767
3768 <para>
3769 Here is an example:
3770
3771 <programlisting>
3772   {-# RULES
3773         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3774   #-}
3775 </programlisting>
3776
3777 </para>
3778
3779 <sect2>
3780 <title>Syntax</title>
3781
3782 <para>
3783 From a syntactic point of view:
3784
3785 <itemizedlist>
3786 <listitem>
3787
3788 <para>
3789  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3790 </para>
3791 </listitem>
3792
3793 <listitem>
3794
3795 <para>
3796  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
3797 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
3798 </para>
3799 </listitem>
3800
3801 <listitem>
3802 <para>
3803 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref LinkEnd="phase-control">),
3804 immediately after the name of the rule.  Thus:
3805 <programlisting>
3806   {-# RULES
3807         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
3808   #-}
3809 </programlisting>
3810 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
3811 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
3812 Phase 2.
3813 </para>
3814 </listitem>
3815
3816
3817 <listitem>
3818
3819 <para>
3820  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3821 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3822 enclosing definitions.
3823 </para>
3824 </listitem>
3825
3826 <listitem>
3827
3828 <para>
3829  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3830 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3831 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3832 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3833 </para>
3834 </listitem>
3835 <listitem>
3836
3837 <para>
3838  A pattern variable may optionally have a type signature.
3839 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3840 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3841
3842 <programlisting>
3843 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3844               foldr k z (build g) = g k z
3845 </programlisting>
3846
3847 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3848
3849 </para>
3850 </listitem>
3851 <listitem>
3852
3853 <para>
3854 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3855 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3856
3857 <programlisting>
3858 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3859 "wrong2"   forall f.      f True = True
3860 </programlisting>
3861
3862 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3863 in the head.
3864 </para>
3865 </listitem>
3866 <listitem>
3867
3868 <para>
3869  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3870 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3871 </para>
3872 </listitem>
3873 <listitem>
3874
3875 <para>
3876  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3877 </para>
3878 </listitem>
3879
3880 </itemizedlist>
3881
3882 </para>
3883
3884 </sect2>
3885
3886 <sect2>
3887 <title>Semantics</title>
3888
3889 <para>
3890 From a semantic point of view:
3891
3892 <itemizedlist>
3893 <listitem>
3894
3895 <para>
3896 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3897 </para>
3898 </listitem>
3899
3900 <listitem>
3901 <para>
3902  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3903 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3904 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3905 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3906 expression by substituting for the pattern variables.
3907
3908 </para>
3909 </listitem>
3910 <listitem>
3911
3912 <para>
3913  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3914 same type.
3915
3916 </para>
3917 </listitem>
3918 <listitem>
3919
3920 <para>
3921  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3922 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3923 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3924
3925 </para>
3926 </listitem>
3927 <listitem>
3928
3929 <para>
3930  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3931 terminating.  For example:
3932
3933 <programlisting>
3934   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3935 </programlisting>
3936
3937 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3938
3939 </para>
3940 </listitem>
3941 <listitem>
3942
3943 <para>
3944  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3945
3946 </para>
3947 </listitem>
3948 <listitem>
3949 <para>
3950  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3951 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3952 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3953 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3954 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3955 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3956 </para>
3957
3958 <para>
3959 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3960 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3961 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3962 </para>
3963 </listitem>
3964 <listitem>
3965
3966 <para>
3967  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3968 For example, consider:
3969
3970 <programlisting>
3971   let s = map f
3972       t = map g
3973   in
3974   s (t xs)
3975 </programlisting>
3976
3977 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3978 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3979 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3980 not be substituted, and the rule would not fire.
3981
3982 </para>
3983 </listitem>
3984 <listitem>
3985
3986 <para>
3987  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3988 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3989 for something you can't match against it (given the simple minded
3990 matching).  So if you write the rule
3991
3992 <programlisting>
3993         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3994 </programlisting>
3995
3996 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3997 It will only match something written with explicit use of ".".
3998 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3999
4000 <programlisting>
4001 wibble f g xs
4002 </programlisting>
4003
4004 where <function>wibble</function> is defined:
4005
4006 <programlisting>
4007 wibble f g = map f . map g
4008 </programlisting>
4009
4010 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4011
4012 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4013 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4014 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4015
4016 </para>
4017 </listitem>
4018 <listitem>
4019
4020 <para>
4021  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4022 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4023 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4024 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4025 declarations.
4026 </para>
4027 </listitem>
4028
4029 </itemizedlist>
4030
4031 </para>
4032
4033 </sect2>
4034
4035 <sect2>
4036 <title>List fusion</title>
4037
4038 <para>
4039 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4040 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4041 intermediate list should be eliminated entirely.
4042 </para>
4043
4044 <para>
4045 The following are good producers:
4046
4047 <itemizedlist>
4048 <listitem>
4049
4050 <para>
4051  List comprehensions
4052 </para>
4053 </listitem>
4054 <listitem>
4055
4056 <para>
4057  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4058 </para>
4059 </listitem>
4060 <listitem>
4061
4062 <para>
4063  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4064 </para>
4065 </listitem>
4066 <listitem>
4067
4068 <para>
4069  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4070 </para>
4071 </listitem>
4072 <listitem>
4073
4074 <para>
4075  <function>++</function>
4076 </para>
4077 </listitem>
4078
4079 <listitem>
4080 <para>
4081  <function>map</function>
4082 </para>
4083 </listitem>
4084
4085 <listitem>
4086 <para>
4087  <function>filter</function>
4088 </para>
4089 </listitem>
4090 <listitem>
4091
4092 <para>
4093  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4094 </para>
4095 </listitem>
4096 <listitem>
4097
4098 <para>
4099  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4100 </para>
4101 </listitem>
4102
4103 </itemizedlist>
4104
4105 </para>
4106
4107 <para>
4108 The following are good consumers:
4109
4110 <itemizedlist>
4111 <listitem>
4112
4113 <para>
4114  List comprehensions
4115 </para>
4116 </listitem>
4117 <listitem>
4118
4119 <para>
4120  <function>array</function> (on its second argument)
4121 </para>
4122 </listitem>
4123 <listitem>
4124
4125 <para>
4126  <function>length</function>
4127 </para>
4128 </listitem>
4129 <listitem>
4130
4131 <para>
4132  <function>++</function> (on its first argument)
4133 </para>
4134 </listitem>
4135
4136 <listitem>
4137 <para>
4138  <function>foldr</function>
4139 </para>
4140 </listitem>
4141
4142 <listitem>
4143 <para>
4144  <function>map</function>
4145 </para>
4146 </listitem>
4147 <listitem>
4148
4149 <para>
4150  <function>filter</function>
4151 </para>
4152 </listitem>
4153 <listitem>
4154
4155 <para>
4156  <function>concat</function>
4157 </para>
4158 </listitem>
4159 <listitem>
4160
4161 <para>
4162  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4163 </para>
4164 </listitem>
4165 <listitem>
4166
4167 <para>
4168  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4169 will fuse with one but not the other)
4170 </para>
4171 </listitem>
4172 <listitem>
4173
4174 <para>
4175  <function>partition</function>
4176 </para>
4177 </listitem>
4178 <listitem>
4179
4180 <para>
4181  <function>head</function>
4182 </para>
4183 </listitem>
4184 <listitem>
4185
4186 <para>
4187  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4188 </para>
4189 </listitem>
4190 <listitem>
4191
4192 <para>
4193  <function>sequence&lowbar;</function>
4194 </para>
4195 </listitem>
4196 <listitem>
4197
4198 <para>
4199  <function>msum</function>
4200 </para>
4201 </listitem>
4202 <listitem>
4203
4204 <para>
4205  <function>sortBy</function>
4206 </para>
4207 </listitem>
4208
4209 </itemizedlist>
4210
4211 </para>
4212
4213 <para>
4214 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4215
4216 <programlisting>
4217 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4218 </programlisting>
4219
4220 </para>
4221
4222 <para>
4223 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4224 a lot which are not included, please tell us.
4225 </para>
4226
4227 <para>
4228 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4229 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4230 </para>
4231
4232 </sect2>
4233
4234 <sect2 id="rule-spec">
4235 <title>Specialisation
4236 </title>
4237
4238 <para>
4239 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4240 present in earlier version of GHC:
4241
4242 <programlisting>
4243   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
4244 </programlisting>
4245
4246 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
4247 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
4248 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
4249 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
4250 </para>
4251
4252 <para>
4253 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
4254 same thing:
4255
4256 <programlisting>
4257 {-# RULES
4258   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
4259 #-}
4260 </programlisting>
4261
4262 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
4263 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
4264 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
4265
4266 <programlisting>
4267 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
4268         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
4269 </programlisting>
4270
4271 What is more,
4272 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
4273 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
4274 have an original definition available to specialise).
4275 </para>
4276
4277 </sect2>
4278
4279 <sect2>
4280 <title>Controlling what's going on</title>
4281
4282 <para>
4283
4284 <itemizedlist>
4285 <listitem>
4286
4287 <para>
4288  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4289 </para>
4290 </listitem>
4291 <listitem>
4292
4293 <para>
4294  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4295 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4296 </para>
4297 </listitem>
4298 <listitem>
4299
4300 <para>
4301  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>GHC/Base.lhs</FileName> looks llike this:
4302
4303 <programlisting>
4304         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4305         {-# INLINE build #-}
4306         build g = g (:) []
4307 </programlisting>
4308
4309 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
4310 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
4311 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
4312 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
4313
4314 </para>
4315 </listitem>
4316 <listitem>
4317
4318 <para>
4319  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
4320 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
4321 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
4322 </para>
4323 </listitem>
4324
4325 </itemizedlist>
4326
4327 </para>
4328
4329 </sect2>
4330
4331 <sect2 id="core-pragma">
4332   <title>CORE pragma</title>
4333
4334   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
4335   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
4336   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
4337
4338 <para>
4339   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
4340   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
4341   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
4342   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
4343   literal as an argument.  The following function definition shows an
4344   example:
4345
4346 <programlisting>
4347 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
4348 </programlisting>
4349
4350   Sematically, this is equivalent to:
4351
4352 <programlisting>
4353 g x = show x
4354 </programlisting>
4355 </para>
4356
4357 <para>
4358   However, when external for is generated (via
4359   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
4360   expressions <function>show</function> and <VarName>x</VarName>.
4361   The core function declaration for <function>f</function> is:
4362 </para>
4363
4364 <programlisting>
4365   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
4366                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
4367     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
4368         (%note "foo"
4369          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
4370            {GHCziShow.ZCDShow
4371             (tpl1::GHCziBase.Int ->
4372                    a ->
4373                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4374 r)
4375             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
4376             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
4377                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
4378 r) ->
4379               tpl2})
4380         (%note "foo"
4381          eta);
4382 </programlisting>
4383
4384 <para>
4385   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
4386   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
4387   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
4388   expression <VarName>eta</VarName> (which used to be called
4389   <VarName>x</VarName>).
4390 </para>
4391
4392 </sect2>
4393
4394 </sect1>
4395
4396 <sect1 id="generic-classes">
4397 <title>Generic classes</title>
4398
4399     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
4400     GHC 5.02).</para>
4401
4402 <para>
4403 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
4404 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
4405 An example will give the idea:
4406 </para>
4407
4408 <programlisting>
4409   import Generics
4410
4411   class Bin a where
4412     toBin   :: a -> [Int]
4413     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
4414   
4415     toBin {| Unit |}    Unit      = []
4416     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
4417     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
4418     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
4419   
4420     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
4421     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
4422     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
4423     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
4424                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
4425 </programlisting>
4426 <para>
4427 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
4428 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
4429 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
4430 </para>
4431 <programlisting>
4432   data Unit    = Unit
4433   data a :+: b = Inl a | Inr b
4434   data a :*: b = a :*: b
4435 </programlisting>
4436 <para>
4437 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
4438 <programlisting>
4439   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
4440   instance Bin a => Bin [a]
4441 </programlisting>
4442 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
4443 where clause and over-ride whichever methods you please.
4444 </para>
4445
4446     <sect2>
4447       <title> Using generics </title>
4448       <para>To use generics you need to</para>
4449       <itemizedlist>
4450         <listitem>
4451           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
4452                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
4453                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
4454                 available.  </para>
4455         </listitem>
4456         <listitem>
4457           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
4458           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
4459           scope the data types <literal>Unit</literal>,
4460           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
4461           don't need this import if you don't mention these types
4462           explicitly; for example, if you are simply giving instance
4463           declarations.)</para>
4464         </listitem>
4465       </itemizedlist>
4466     </sect2>
4467
4468 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
4469 <para>
4470 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
4471 can be written infix (indeed, you can now use
4472 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
4473 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
4474 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
4475 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
4476 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
4477 anticipate wanting).
4478 </para>
4479 </sect2>
4480
4481 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
4482 <para>
4483 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
4484 is one that is defined using type patterns as above.
4485 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
4486 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
4487 generic default method.
4488 </para>
4489
4490 <para>
4491 Restrictions:
4492 <itemizedlist>
4493 <listitem>
4494 <para>
4495 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
4496 field labels.
4497 </para>
4498 </listitem>
4499
4500 <listitem>
4501 <para>
4502 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
4503 multi-parameter class.
4504 </para>
4505 </listitem>
4506
4507 <listitem>
4508 <para>
4509 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
4510 without.  So this is illegal:
4511 <programlisting>
4512   class Foo a where
4513     op :: a -> (a, Bool)
4514     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
4515     op x               = (x,    False)
4516 </programlisting>
4517 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
4518 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
4519 </para>
4520 </listitem>
4521
4522 <listitem>
4523 <para>
4524 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
4525 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:
4526 <programlisting>
4527   class Foo a where
4528     op :: a -> Bool
4529     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
4530     ...
4531 </programlisting>
4532 </para>
4533 </listitem>
4534
4535 <listitem>
4536 <para>
4537 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
4538 <programlisting>
4539        a :+: b
4540        a :*: b
4541        Unit
4542 </programlisting>
4543 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
4544 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
4545 must use the same type variables.  So this is illegal:
4546 <programlisting>
4547   class Foo a where
4548     op :: a -> Bool
4549     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
4550     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
4551 </programlisting>
4552 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
4553 So this too is illegal:
4554 <programlisting>
4555   class Foo a where
4556     op1 :: a -> Bool
4557     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
4558
4559     op2 :: a -> Bool
4560     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
4561 </programlisting>
4562 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
4563 into a single generic instance declaration.)
4564 </para>
4565 </listitem>
4566
4567 <listitem>
4568 <para>
4569 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
4570 </para>
4571 </listitem>
4572
4573 <listitem>
4574 <para>
4575 The type for a generic method can be built only from:
4576   <itemizedlist>
4577   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
4578   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
4579   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
4580   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
4581   </itemizedlist>
4582 Here are some example type signatures for generic methods:
4583 <programlisting>
4584     op1 :: a -> Bool
4585     op2 :: Bool -> (a,Bool)
4586     op3 :: [Int] -> a -> a
4587     op4 :: [a] -> Bool
4588 </programlisting>
4589 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
4590 inside a list.  
4591 </para>
4592 <para>
4593 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
4594 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
4595 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
4596 to the ones that are allowed.</para>
4597 </listitem>
4598
4599 <listitem>
4600 <para>
4601 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
4602 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
4603 do so if
4604   <itemizedlist>
4605   <listitem>
4606   <para>
4607   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
4608   </para>
4609   </listitem>
4610   <listitem>
4611   <para>
4612   No constructor of the instance type has unboxed fields.
4613   </para>
4614   </listitem>
4615   </itemizedlist>
4616 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
4617 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
4618 provided you give explicit code to override any generic default methods.
4619 </para>
4620 </listitem>
4621
4622 </itemizedlist>
4623 </para>
4624
4625 <para>
4626 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
4627 what the compiler does with generic declarations.
4628 </para>
4629
4630 </sect2>
4631
4632 <sect2> <title> Another example </title>
4633 <para>
4634 Just to finish with, here's another example I rather like:
4635 <programlisting>
4636   class Tag a where
4637     nCons :: a -> Int
4638     nCons {| Unit |}    _ = 1
4639     nCons {| a :*: b |} _ = 1
4640     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
4641   
4642     tag :: a -> Int
4643     tag {| Unit |}    _       = 1
4644     tag {| a :*: b |} _       = 1   
4645     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
4646     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
4647 </programlisting>
4648 </para>
4649 </sect2>
4650 </sect1>
4651
4652
4653
4654 <!-- Emacs stuff:
4655      ;;; Local Variables: ***
4656      ;;; mode: sgml ***
4657      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
4658      ;;; End: ***
4659  -->