Fix instance rules for functional dependencies
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 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.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
833                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
834                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
835 </para> </listitem>         
836
837       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
838           except that the translation is 
839               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
840 </para> </listitem>         
841
842           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
843               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
844 </para> </listitem>         
845
846           <listitem><para>The subtraction operation, and the
847           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
848               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
849               </para></listitem>
850
851               <listitem>
852                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
853                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
854                 patterns, and expressions.
855               </para></listitem>
856
857               <listitem>
858           <para>"Do" notation is translated using whatever
859               functions <literal>(>>=)</literal>,
860               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
861               are in scope (not the Prelude
862               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
863               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
864
865               <listitem>
866                 <para>Arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
872                 other constructs, the types of these functions must match the
873                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
874                 to use this, ask!
875               </para></listitem>
876             </itemizedlist>
877 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
878 even if that is a little unexpected. For emample, the 
879 static semantics of the literal <literal>368</literal>
880 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
881 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
882 <programlisting>
883 fromInteger :: Integer -> Integer
884 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
885 fromInteger :: Num a => a -> Integer
886 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
887 </programlisting>
888 </para>
889                 
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
932 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
959   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
960   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
961   parenthesised.  For example:
962 <programlisting>
963    type T (+) = Int + Int
964    f :: T Either
965    f = Left 3
966  
967    liftA2 :: Arrow (~>)
968           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
969    liftA2 = ...
970 </programlisting>
971   </para></listitem>
972 <listitem><para>
973   Back-quotes work
974   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
975   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
976   </para></listitem>
977 <listitem><para>
978   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
979   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
980   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
981 <screen>
982   infixl 7 T, :*:
983 </screen>
984   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
985   and similarly for <literal>:*:</literal>.
986   <literal>Int `a` Bool</literal>.
987   </para></listitem>
988 <listitem><para>
989   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
990   </para></listitem>
991
992 </itemizedlist>
993 </para>
994 </sect3>
995
996 <sect3 id="type-synonyms">
997 <title>Liberalised type synonyms</title>
998
999 <para>
1000 Type synonyms are like macros at the type level, and
1001 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1002 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1005 in a type synonym, thus:
1006 <programlisting>
1007   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1008
1009   f :: Discard a
1010   f x y = (x, show y)
1011
1012   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1013   g f = f Int True
1014 </programlisting>
1015 </para>
1016 </listitem>
1017
1018 <listitem><para>
1019 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1020 <programlisting>
1021   type Pr = (# Int, Int #)
1022
1023   h :: Int -> Pr
1024   h x = (# x, x #)
1025 </programlisting>
1026 </para></listitem>
1027
1028 <listitem><para>
1029 You can apply a type synonym to a forall type:
1030 <programlisting>
1031   type Foo a = a -> a -> Bool
1032  
1033   f :: Foo (forall b. b->b)
1034 </programlisting>
1035 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1036 <programlisting>
1037   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1038 </programlisting>
1039 </para></listitem>
1040
1041 <listitem><para>
1042 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1043 <programlisting>
1044   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1045   type Id x = x
1046   
1047   foo :: Generic Id []
1048 </programlisting>
1049 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1050 <programlisting>
1051   foo :: forall x. x -> [x]
1052 </programlisting>
1053 </para></listitem>
1054
1055 </itemizedlist>
1056 </para>
1057
1058 <para>
1059 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1060 could be changed.)
1061 </para>
1062 <para>
1063 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1064 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1065 <itemizedlist>
1066 <listitem><para>
1067 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1068 </para></listitem>
1069 <listitem><para>
1070 Unboxed tuple on left of an arrow.
1071 </para></listitem>
1072 <listitem><para>
1073 Partially-applied type synonym.
1074 </para></listitem>
1075 </itemizedlist>
1076 So, for example,
1077 this will be rejected:
1078 <programlisting>
1079   type Pr = (# Int, Int #)
1080
1081   h :: Pr -> Int
1082   h x = ...
1083 </programlisting>
1084 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1085 </para>
1086 </sect3>
1087
1088
1089 <sect3 id="existential-quantification">
1090 <title>Existentially quantified data constructors
1091 </title>
1092
1093 <para>
1094 The idea of using existential quantification in data type declarations
1095 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1096 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1097 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1098 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1099 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1100 It's been in Lennart
1101 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1102 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1103 </para>
1104
1105 <para>
1106
1107 <programlisting>
1108   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1109            | Nil
1110 </programlisting>
1111
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1116 </para>
1117
1118 <para>
1119
1120 <programlisting>
1121   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1122   Nil   :: Foo
1123 </programlisting>
1124
1125 </para>
1126
1127 <para>
1128 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1129 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1130 For example, the following expression is fine:
1131 </para>
1132
1133 <para>
1134
1135 <programlisting>
1136   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1137 </programlisting>
1138
1139 </para>
1140
1141 <para>
1142 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1143 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1144 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1145 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1150 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154
1155 <programlisting>
1156   f (MkFoo val fn) = ???
1157 </programlisting>
1158
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1163 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1164 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1165 </para>
1166
1167 <para>
1168
1169 <programlisting>
1170   f :: Foo -> Bool
1171   f (MkFoo val fn) = fn val
1172 </programlisting>
1173
1174 </para>
1175
1176 <para>
1177 What this allows us to do is to package heterogenous values
1178 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1179 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1180 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1181 </para>
1182
1183 <sect4 id="existential">
1184 <title>Why existential?
1185 </title>
1186
1187 <para>
1188 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1189 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193
1194 <programlisting>
1195   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1196 </programlisting>
1197
1198 </para>
1199
1200 <para>
1201 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1202 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1203 adding a new existential quantification construct.
1204 </para>
1205
1206 </sect4>
1207
1208 <sect4>
1209 <title>Type classes</title>
1210
1211 <para>
1212 An easy extension is to allow
1213 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1214 </para>
1215
1216 <para>
1217
1218 <programlisting>
1219 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1220          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1221 </programlisting>
1222
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226 The two constructors have the types you'd expect:
1227 </para>
1228
1229 <para>
1230
1231 <programlisting>
1232 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1233 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1234 </programlisting>
1235
1236 </para>
1237
1238 <para>
1239 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1240 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1241 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1242 So this program is legal:
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246
1247 <programlisting>
1248   f :: Baz -> String
1249   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1250                | otherwise = "No"
1251   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1252 </programlisting>
1253
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1258 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1259 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1260 extract it on pattern matching.
1261 </para>
1262
1263 <para>
1264 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1265 universal quantification earlier.
1266 </para>
1267
1268 </sect4>
1269
1270 <sect4>
1271 <title>Record Constructors</title>
1272
1273 <para>
1274 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1275
1276 <programlisting>
1277 data Counter a = forall self. NewCounter
1278     { _this    :: self
1279     , _inc     :: self -> self
1280     , _display :: self -> IO ()
1281     , tag      :: a
1282     }
1283 </programlisting>
1284 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1285 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1286 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1287 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1288 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1289 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1290 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1291 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1292 </para>
1293
1294 <para>
1295 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1296
1297 <programlisting>
1298 inc :: Counter a -> Counter a
1299 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1300     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1301
1302 display :: Counter a -> IO ()
1303 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1304 </programlisting>
1305
1306 Now we can define counters with different underlying implementations:
1307
1308 <programlisting>
1309 counterA :: Counter String 
1310 counterA = NewCounter
1311     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1312
1313 counterB :: Counter String 
1314 counterB = NewCounter
1315     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1316
1317 main = do
1318     display (inc counterA)         -- prints "1"
1319     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1320 </programlisting>
1321
1322 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1323 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1324 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1325
1326 <programlisting>
1327 data Counter a where
1328     NewCounter { _this    :: self
1329                , _inc     :: self -> self
1330                , _display :: self -> IO ()
1331                , tag      :: a
1332                }
1333         :: Counter a
1334 </programlisting>
1335
1336 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1337 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1338
1339 <programlisting>
1340 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1341 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1342 setTag obj t = obj{ tag = t }
1343 </programlisting>
1344
1345 </para>
1346
1347 </sect4>
1348
1349
1350 <sect4>
1351 <title>Restrictions</title>
1352
1353 <para>
1354 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1355 constructors can be use.
1356 </para>
1357
1358 <para>
1359
1360 <itemizedlist>
1361 <listitem>
1362
1363 <para>
1364  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1365 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1366 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1367 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1368
1369
1370 <programlisting>
1371 f1 (MkFoo a f) = a
1372 </programlisting>
1373
1374
1375 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1376 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1377 ask what type <function>f1</function> has:
1378
1379
1380 <programlisting>
1381   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1382 </programlisting>
1383
1384
1385 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1386 this:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1395
1396
1397 <programlisting>
1398   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1399 </programlisting>
1400
1401
1402 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1403 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1404 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1405
1406
1407 </para>
1408 </listitem>
1409 <listitem>
1410
1411 <para>
1412 You can't pattern-match on an existentially quantified
1413 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1414 bindings. So this is illegal:
1415
1416
1417 <programlisting>
1418   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1419 </programlisting>
1420
1421 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1422
1423 <programlisting>
1424   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1425 </programlisting>
1426
1427 In general, you can only pattern-match
1428 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1429 in the patterns of a function definition.
1430
1431 The reason for this restriction is really an implementation one.
1432 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1433 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1434 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1435 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1436 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1437 annoying it is.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1445 declarations.  So this is illegal:
1446
1447
1448 <programlisting>
1449   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1450 </programlisting>
1451
1452
1453 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1454 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1455 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1456 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1457 You can get just the same efficiency and effect by using
1458 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1459 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1460 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1461 because the <literal>data</literal> version does carry an
1462 implementation cost, but single-field existentially quantified
1463 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1464 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1465 are convincing reasons to change it.
1466
1467
1468 </para>
1469 </listitem>
1470 <listitem>
1471
1472 <para>
1473  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1474 data type with existentially quantified data constructors.
1475
1476 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1477
1478 <programlisting>
1479 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1480 </programlisting>
1481
1482 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1483 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1484
1485 <programlisting>
1486 instance Eq T where
1487   (MkT a) == (MkT b) = ???
1488 </programlisting>
1489
1490 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1491 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1492 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1493 declarations.  Define your own instances!
1494 </para>
1495 </listitem>
1496
1497 </itemizedlist>
1498
1499 </para>
1500
1501 </sect4>
1502 </sect3>
1503
1504 </sect2>
1505
1506
1507
1508 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1509 <title>Class declarations</title>
1510
1511 <para>
1512 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1513 There's lots of background in the paper <ulink
1514 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1515 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1516 Jones, Erik Meijer).
1517 </para>
1518 <para>
1519 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1520 </para>
1521
1522 <sect3>
1523 <title>Multi-parameter type classes</title>
1524 <para>
1525 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1526
1527
1528 <programlisting>
1529   class Collection c a where
1530     union :: c a -> c a -> c a
1531     ...etc.
1532 </programlisting>
1533
1534 </para>
1535 </sect3>
1536
1537 <sect3>
1538 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1539
1540 <para>
1541 There are no restrictions on the context in a class declaration
1542 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1543 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1544
1545
1546 <programlisting>
1547   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1548     ...
1549
1550   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1551     lift :: m a -> (t m) a
1552 </programlisting>
1553
1554
1555 </para>
1556 <para>
1557 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1558 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1559 this is OK:
1560
1561
1562 <programlisting>
1563   class C a where {
1564     op :: D b => a -> b -> b
1565   }
1566
1567   class C a => D a where { ... }
1568 </programlisting>
1569
1570
1571 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1572 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1573 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1574 </para>
1575 </sect3>
1576
1577
1578
1579
1580 <sect3 id="class-method-types">
1581 <title>Class method types</title>
1582
1583 <para>
1584 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1585 class type variable, thus:
1586 <programlisting>
1587   class Seq s a where
1588     fromList :: [a] -> s a
1589     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1590 </programlisting>
1591 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1592 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1593 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1594 GHC lifts this restriction.
1595 </para>
1596
1597
1598 </sect3>
1599 </sect2>
1600
1601 <sect2 id="functional-dependencies">
1602 <title>Functional dependencies
1603 </title>
1604
1605 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1606 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1607 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1608 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1609 .
1610 </para>
1611 <para>
1612 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1613 class declaration;  e.g. 
1614 <programlisting>
1615   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1616
1617   class Foo a b c | a b -> c where ...
1618 </programlisting>
1619 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1620 </para>
1621
1622 <sect3><title>Rules for functional dependencies </title>
1623 <para>
1624 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1625 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1626 from the free variables of each method type.
1627 For example:
1628
1629 <programlisting>
1630   class Coll s a where
1631     empty  :: s
1632     insert :: s -> a -> s
1633 </programlisting>
1634
1635 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1636 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1637 reachable:
1638 <programlisting>
1639   class Coll s a | s -> a where
1640     empty  :: s
1641     insert :: s -> a -> s
1642 </programlisting>
1643
1644 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1645
1646 <programlisting>
1647   class Coll s a where
1648     empty  :: s a
1649     insert :: s a -> a -> s a
1650 </programlisting>
1651
1652
1653 which makes the connection between the type of a collection of
1654 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1655 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1656 class like this:
1657
1658
1659 <programlisting>
1660   class CollE s where
1661     empty  :: s
1662
1663   class CollE s => Coll s a where
1664     insert :: s -> a -> s
1665 </programlisting>
1666 </para>
1667 </sect3>
1668
1669
1670 <sect3>
1671 <title>Background on functional dependencies</title>
1672
1673 <para>The following description of the motivation and use of functional dependencies is taken
1674 from the Hugs user manual, reproduced here (with minor changes) by kind
1675 permission of Mark Jones.
1676 </para>
1677 <para> 
1678 Consider the following class, intended as part of a
1679 library for collection types:
1680 <programlisting>
1681    class Collects e ce where
1682        empty  :: ce
1683        insert :: e -> ce -> ce
1684        member :: e -> ce -> Bool
1685 </programlisting>
1686 The type variable e used here represents the element type, while ce is the type
1687 of the container itself. Within this framework, we might want to define
1688 instances of this class for lists or characteristic functions (both of which
1689 can be used to represent collections of any equality type), bit sets (which can
1690 be used to represent collections of characters), or hash tables (which can be
1691 used to represent any collection whose elements have a hash function). Omitting
1692 standard implementation details, this would lead to the following declarations: 
1693 <programlisting>
1694    instance Eq e => Collects e [e] where ...
1695    instance Eq e => Collects e (e -> Bool) where ...
1696    instance Collects Char BitSet where ...
1697    instance (Hashable e, Collects a ce)
1698               => Collects e (Array Int ce) where ...
1699 </programlisting>
1700 All this looks quite promising; we have a class and a range of interesting
1701 implementations. Unfortunately, there are some serious problems with the class
1702 declaration. First, the empty function has an ambiguous type: 
1703 <programlisting>
1704    empty :: Collects e ce => ce
1705 </programlisting>
1706 By "ambiguous" we mean that there is a type variable e that appears on the left
1707 of the <literal>=&gt;</literal> symbol, but not on the right. The problem with
1708 this is that, according to the theoretical foundations of Haskell overloading,
1709 we cannot guarantee a well-defined semantics for any term with an ambiguous
1710 type.
1711 </para>
1712 <para>
1713 We can sidestep this specific problem by removing the empty member from the
1714 class declaration. However, although the remaining members, insert and member,
1715 do not have ambiguous types, we still run into problems when we try to use
1716 them. For example, consider the following two functions: 
1717 <programlisting>
1718    f x y = insert x . insert y
1719    g     = f True 'a'
1720 </programlisting>
1721 for which GHC infers the following types: 
1722 <programlisting>
1723    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1724    g :: (Collects Bool c, Collects Char c) => c -> c
1725 </programlisting>
1726 Notice that the type for f allows the two parameters x and y to be assigned
1727 different types, even though it attempts to insert each of the two values, one
1728 after the other, into the same collection. If we're trying to model collections
1729 that contain only one type of value, then this is clearly an inaccurate
1730 type. Worse still, the definition for g is accepted, without causing a type
1731 error. As a result, the error in this code will not be flagged at the point
1732 where it appears. Instead, it will show up only when we try to use g, which
1733 might even be in a different module.
1734 </para>
1735
1736 <sect4><title>An attempt to use constructor classes</title>
1737
1738 <para>
1739 Faced with the problems described above, some Haskell programmers might be
1740 tempted to use something like the following version of the class declaration: 
1741 <programlisting>
1742    class Collects e c where
1743       empty  :: c e
1744       insert :: e -> c e -> c e
1745       member :: e -> c e -> Bool
1746 </programlisting>
1747 The key difference here is that we abstract over the type constructor c that is
1748 used to form the collection type c e, and not over that collection type itself,
1749 represented by ce in the original class declaration. This avoids the immediate
1750 problems that we mentioned above: empty has type <literal>Collects e c => c
1751 e</literal>, which is not ambiguous. 
1752 </para>
1753 <para>
1754 The function f from the previous section has a more accurate type: 
1755 <programlisting>
1756    f :: (Collects e c) => e -> e -> c e -> c e
1757 </programlisting>
1758 The function g from the previous section is now rejected with a type error as
1759 we would hope because the type of f does not allow the two arguments to have
1760 different types. 
1761 This, then, is an example of a multiple parameter class that does actually work
1762 quite well in practice, without ambiguity problems.
1763 There is, however, a catch. This version of the Collects class is nowhere near
1764 as general as the original class seemed to be: only one of the four instances
1765 for <literal>Collects</literal>
1766 given above can be used with this version of Collects because only one of
1767 them---the instance for lists---has a collection type that can be written in
1768 the form c e, for some type constructor c, and element type e.
1769 </para>
1770 </sect4>
1771
1772 <sect4><title>Adding functional dependencies</title>
1773
1774 <para>
1775 To get a more useful version of the Collects class, Hugs provides a mechanism
1776 that allows programmers to specify dependencies between the parameters of a
1777 multiple parameter class (For readers with an interest in theoretical
1778 foundations and previous work: The use of dependency information can be seen
1779 both as a generalization of the proposal for `parametric type classes' that was
1780 put forward by Chen, Hudak, and Odersky, or as a special case of Mark Jones's
1781 later framework for "improvement" of qualified types. The
1782 underlying ideas are also discussed in a more theoretical and abstract setting
1783 in a manuscript [implparam], where they are identified as one point in a
1784 general design space for systems of implicit parameterization.).
1785
1786 To start with an abstract example, consider a declaration such as: 
1787 <programlisting>
1788    class C a b where ...
1789 </programlisting>
1790 which tells us simply that C can be thought of as a binary relation on types
1791 (or type constructors, depending on the kinds of a and b). Extra clauses can be
1792 included in the definition of classes to add information about dependencies
1793 between parameters, as in the following examples: 
1794 <programlisting>
1795    class D a b | a -> b where ...
1796    class E a b | a -> b, b -> a where ...
1797 </programlisting>
1798 The notation <literal>a -&gt; b</literal> used here between the | and where
1799 symbols --- not to be
1800 confused with a function type --- indicates that the a parameter uniquely
1801 determines the b parameter, and might be read as "a determines b." Thus D is
1802 not just a relation, but actually a (partial) function. Similarly, from the two
1803 dependencies that are included in the definition of E, we can see that E
1804 represents a (partial) one-one mapping between types.
1805 </para>
1806 <para>
1807 More generally, dependencies take the form <literal>x1 ... xn -&gt; y1 ... ym</literal>,
1808 where x1, ..., xn, and y1, ..., yn are type variables with n&gt;0 and
1809 m&gt;=0, meaning that the y parameters are uniquely determined by the x
1810 parameters. Spaces can be used as separators if more than one variable appears
1811 on any single side of a dependency, as in <literal>t -&gt; a b</literal>. Note that a class may be
1812 annotated with multiple dependencies using commas as separators, as in the
1813 definition of E above. Some dependencies that we can write in this notation are
1814 redundant, and will be rejected because they don't serve any useful
1815 purpose, and may instead indicate an error in the program. Examples of
1816 dependencies like this include  <literal>a -&gt; a </literal>,  
1817 <literal>a -&gt; a a </literal>,  
1818 <literal>a -&gt; </literal>, etc. There can also be
1819 some redundancy if multiple dependencies are given, as in  
1820 <literal>a-&gt;b</literal>, 
1821  <literal>b-&gt;c </literal>,  <literal>a-&gt;c </literal>, and
1822 in which some subset implies the remaining dependencies. Examples like this are
1823 not treated as errors. Note that dependencies appear only in class
1824 declarations, and not in any other part of the language. In particular, the
1825 syntax for instance declarations, class constraints, and types is completely
1826 unchanged.
1827 </para>
1828 <para>
1829 By including dependencies in a class declaration, we provide a mechanism for
1830 the programmer to specify each multiple parameter class more precisely. The
1831 compiler, on the other hand, is responsible for ensuring that the set of
1832 instances that are in scope at any given point in the program is consistent
1833 with any declared dependencies. For example, the following pair of instance
1834 declarations cannot appear together in the same scope because they violate the
1835 dependency for D, even though either one on its own would be acceptable: 
1836 <programlisting>
1837    instance D Bool Int where ...
1838    instance D Bool Char where ...
1839 </programlisting>
1840 Note also that the following declaration is not allowed, even by itself: 
1841 <programlisting>
1842    instance D [a] b where ...
1843 </programlisting>
1844 The problem here is that this instance would allow one particular choice of [a]
1845 to be associated with more than one choice for b, which contradicts the
1846 dependency specified in the definition of D. More generally, this means that,
1847 in any instance of the form: 
1848 <programlisting>
1849    instance D t s where ...
1850 </programlisting>
1851 for some particular types t and s, the only variables that can appear in s are
1852 the ones that appear in t, and hence, if the type t is known, then s will be
1853 uniquely determined.
1854 </para>
1855 <para>
1856 The benefit of including dependency information is that it allows us to define
1857 more general multiple parameter classes, without ambiguity problems, and with
1858 the benefit of more accurate types. To illustrate this, we return to the
1859 collection class example, and annotate the original definition of <literal>Collects</literal>
1860 with a simple dependency: 
1861 <programlisting>
1862    class Collects e ce | ce -> e where
1863       empty  :: ce
1864       insert :: e -> ce -> ce
1865       member :: e -> ce -> Bool
1866 </programlisting>
1867 The dependency <literal>ce -&gt; e</literal> here specifies that the type e of elements is uniquely
1868 determined by the type of the collection ce. Note that both parameters of
1869 Collects are of kind *; there are no constructor classes here. Note too that
1870 all of the instances of Collects that we gave earlier can be used
1871 together with this new definition.
1872 </para>
1873 <para>
1874 What about the ambiguity problems that we encountered with the original
1875 definition? The empty function still has type Collects e ce => ce, but it is no
1876 longer necessary to regard that as an ambiguous type: Although the variable e
1877 does not appear on the right of the => symbol, the dependency for class
1878 Collects tells us that it is uniquely determined by ce, which does appear on
1879 the right of the => symbol. Hence the context in which empty is used can still
1880 give enough information to determine types for both ce and e, without
1881 ambiguity. More generally, we need only regard a type as ambiguous if it
1882 contains a variable on the left of the => that is not uniquely determined
1883 (either directly or indirectly) by the variables on the right.
1884 </para>
1885 <para>
1886 Dependencies also help to produce more accurate types for user defined
1887 functions, and hence to provide earlier detection of errors, and less cluttered
1888 types for programmers to work with. Recall the previous definition for a
1889 function f: 
1890 <programlisting>
1891    f x y = insert x y = insert x . insert y
1892 </programlisting>
1893 for which we originally obtained a type: 
1894 <programlisting>
1895    f :: (Collects a c, Collects b c) => a -> b -> c -> c
1896 </programlisting>
1897 Given the dependency information that we have for Collects, however, we can
1898 deduce that a and b must be equal because they both appear as the second
1899 parameter in a Collects constraint with the same first parameter c. Hence we
1900 can infer a shorter and more accurate type for f: 
1901 <programlisting>
1902    f :: (Collects a c) => a -> a -> c -> c
1903 </programlisting>
1904 In a similar way, the earlier definition of g will now be flagged as a type error.
1905 </para>
1906 <para>
1907 Although we have given only a few examples here, it should be clear that the
1908 addition of dependency information can help to make multiple parameter classes
1909 more useful in practice, avoiding ambiguity problems, and allowing more general
1910 sets of instance declarations.
1911 </para>
1912 </sect4>
1913 </sect3>
1914 </sect2>
1915
1916 <sect2 id="instance-decls">
1917 <title>Instance declarations</title>
1918
1919 <sect3 id="instance-rules">
1920 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1921
1922 <para>An instance declaration has the form
1923 <screen>
1924   instance ( <replaceable>assertion</replaceable><subscript>1</subscript>, ..., <replaceable>assertion</replaceable><subscript>n</subscript>) =&gt; <replaceable>class</replaceable> <replaceable>type</replaceable><subscript>1</subscript> ... <replaceable>type</replaceable><subscript>m</subscript> where ...
1925 </screen>
1926 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1927 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1928 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1929 </para>
1930
1931 <para>
1932 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1933 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1934 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1935 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1936 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration be of
1937 the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal> is a type variable.
1938 </para>
1939 <para>
1940 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1941 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1942 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1943 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the
1944 following rules:
1945 <orderedlist>
1946 <listitem><para>
1947 For each assertion in the context:
1948 <orderedlist>
1949 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1950 <listitem><para>The assertion has fewer constructors and variables (taken together
1951       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1952 </orderedlist>
1953 </para></listitem>
1954
1955 <listitem><para>The coverage condition.  For each functional dependency,
1956 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript> <literal>-&gt;</literal>
1957 <replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>,  of the class,
1958 every type variable in
1959 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>right</subscript>) must appear in 
1960 S(<replaceable>tvs</replaceable><subscript>left</subscript>), where S is the
1961 substitution mapping each type variable in the class declaration to the
1962 corresponding type in the instance declaration.
1963 </para></listitem>
1964 </orderedlist>
1965 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1966 step makes the problem smaller
1967 constructor.  For example, the following would make the type checker
1968 loop if it wasn't excluded:
1969 <programlisting>
1970   instance C a => C a where ...
1971 </programlisting>
1972 For example, these are OK:
1973 <programlisting>
1974   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1975   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1976
1977       -- Repeated type variable in head
1978   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1979   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1980
1981       -- Head can consist of type variables only
1982   instance C a
1983   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1984
1985       -- Non-type variables in context
1986   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
1987   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
1988   instance C2 Int a => C3 [a] b
1989 </programlisting>
1990 But these are not:
1991 <programlisting>
1992   instance C a => C a where ...
1993       -- Context assertion no smaller than head
1994   instance C b b => Foo [b] where ...
1995       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
1996 </programlisting>
1997 </para>
1998
1999 <para>
2000 A couple of useful idioms are these.  First, 
2001 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
2002 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
2003 something more specific does not:
2004 <programlisting>
2005   instance C a where
2006     op = ... -- Default
2007 </programlisting>
2008
2009 Second, sometimes you might want to use the following to get the
2010 effect of a "class synonym":
2011
2012
2013 <programlisting>
2014   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2015
2016   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
2017 </programlisting>
2018 This allows you to write shorter signatures:
2019
2020 <programlisting>
2021   f :: C a => ...
2022 </programlisting>
2023 instead of
2024 <programlisting>
2025   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
2026 </programlisting>
2027 </para>
2028 </sect3>
2029
2030 <sect3 id="undecidable-instances">
2031 <title>Undecidable instances</title>
2032
2033 <para>
2034 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
2035 For example, with functional dependencies (<xref
2036 linkend="functional-dependencies"/>)
2037 it is tempting to introduce type variables in the context that do not appear in
2038 the head, something that is excluded by the normal rules. For example:
2039 <programlisting>
2040   class HasConverter a b | a -> b where
2041      convert :: a -> b
2042    
2043   data Foo a = MkFoo a
2044
2045   instance (HasConverter a b,Show b) => Show (Foo a) where
2046      show (MkFoo value) = show (convert value)
2047 </programlisting>
2048 This is dangerous territory, however. Here, for example, is a program that would make the
2049 typechecker loop:
2050 <programlisting>
2051   class D a
2052   class F a b | a->b
2053   instance F [a] [[a]]
2054   instance (D c, F a c) => D [a]   -- 'c' is not mentioned in the head
2055 </programlisting>  
2056 Similarly, it can be tempting to lift the coverage condition:
2057 <programlisting>
2058   class Mul a b c | a b -> c where
2059         (.*.) :: a -> b -> c
2060
2061   instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
2062   instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
2063   instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
2064 </programlisting>
2065 The third instance declaration does not obey the coverage condition;
2066 and indeed the (somewhat strange) definition:
2067 <programlisting>
2068   f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
2069 </programlisting>
2070 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
2071 <literal>(Mul a [b] b)</literal>.
2072 </para>
2073 <para>
2074 Nevertheless, GHC allows you to experiment with more liberal rules.  If you use
2075 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
2076 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
2077 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
2078 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
2079 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
2080 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
2081 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
2082 </para>
2083
2084 </sect3>
2085
2086
2087 <sect3 id="instance-overlap">
2088 <title>Overlapping instances</title>
2089 <para>
2090 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
2091 declaration
2092 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
2093 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
2094 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
2095 </primary></indexterm> 
2096 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
2097 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
2098 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
2099 <para>
2100 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
2101 it tries to match every instance declaration against the
2102 constraint,
2103 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
2104 these declarations:
2105 <programlisting>
2106   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
2107   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
2108   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
2109   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
2110 </programlisting>
2111 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
2112 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
2113 no account of the context of the instance declaration
2114 (<literal>context1</literal> etc).
2115 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
2116 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
2117 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
2118 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
2119 particular constraint matches more than one.
2120 </para>
2121
2122 <para>
2123 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
2124 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
2125 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
2126 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
2127 most-specific match, the program is rejected.
2128 </para>
2129 <para>
2130 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
2131 <programlisting>
2132   f :: [b] -> [b]
2133   f x = ...
2134 </programlisting>
2135 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
2136 <literal>C Int [b]</literal>.  But
2137 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
2138 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
2139 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
2140 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
2141 GHC will instead pick (C), without complaining about 
2142 the problem of subsequent instantiations.
2143 </para>
2144 <para>
2145 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
2146 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
2147 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
2148 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
2149 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
2150 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
2151 <itemizedlist>
2152 <listitem><para>
2153 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
2154 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
2155 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
2156 more-specific instance does not matter.
2157 </para></listitem>
2158 <listitem><para>
2159 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
2160 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
2161 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
2162 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
2163 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
2164 check for that declaration.
2165 </para></listitem>
2166 </itemizedlist>
2167 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
2168 overlapping instances without the library client having to know.
2169 </para>
2170 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
2171 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
2172 </para>
2173 </sect3>
2174
2175 <sect3>
2176 <title>Type synonyms in the instance head</title>
2177
2178 <para>
2179 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
2180 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
2181 As always, using a type synonym is just shorthand for
2182 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
2183
2184
2185 <programlisting>
2186   type Point = (Int,Int)
2187   instance C Point   where ...
2188   instance C [Point] where ...
2189 </programlisting>
2190
2191
2192 is legal.  However, if you added
2193
2194
2195 <programlisting>
2196   instance C (Int,Int) where ...
2197 </programlisting>
2198
2199
2200 as well, then the compiler will complain about the overlapping
2201 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
2202 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
2203
2204
2205 <programlisting>
2206   type P a = [[a]]
2207   instance Monad P where ...
2208 </programlisting>
2209
2210
2211 This design decision is independent of all the others, and easily
2212 reversed, but it makes sense to me.
2213
2214 </para>
2215 </sect3>
2216
2217
2218 </sect2>
2219
2220 <sect2 id="type-restrictions">
2221 <title>Type signatures</title>
2222
2223 <sect3><title>The context of a type signature</title>
2224 <para>
2225 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
2226 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
2227 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
2228 these type signatures are perfectly OK
2229 <programlisting>
2230   g :: Eq [a] => ...
2231   g :: Ord (T a ()) => ...
2232 </programlisting>
2233 </para>
2234 <para>
2235 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
2236 Consider the type:
2237
2238 <programlisting>
2239   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
2240 </programlisting>
2241
2242 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
2243 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
2244 explicit source-language type signature are universally quantified,
2245 except for the class type variables in a class declaration.  However,
2246 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
2247 </para>
2248
2249 <para>
2250
2251 <orderedlist>
2252 <listitem>
2253
2254 <para>
2255  <emphasis>Each universally quantified type variable
2256 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
2257
2258 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
2259 in the same constraint as either a type variable free in in
2260 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
2261 A value with a type that does not obey 
2262 this reachability restriction cannot be used without introducing
2263 ambiguity; that is why the type is rejected.
2264 Here, for example, is an illegal type:
2265
2266
2267 <programlisting>
2268   forall a. Eq a => Int
2269 </programlisting>
2270
2271
2272 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2273 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2274 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2275 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2276 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2277 get any more information about <literal>tv</literal>.
2278 </para>
2279 <para>
2280 Note
2281 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2282 functionally dependent on a type variable free in
2283 <literal>type</literal> (see <xref
2284 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2285 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2286 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2287 For example, consider:
2288 <programlisting>
2289   class C a b | a -> b where ...
2290   class C a b => D a b where ...
2291   f :: forall a b. D a b => a -> a
2292 </programlisting>
2293 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2294 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2295 </para>
2296 </listitem>
2297 <listitem>
2298
2299 <para>
2300  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2301 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2302
2303 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2304 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2305
2306
2307 <programlisting>
2308   forall a. C a b => burble
2309 </programlisting>
2310
2311
2312 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2313 mention <literal>a</literal>:
2314
2315
2316 <programlisting>
2317   forall a. Eq b => burble
2318 </programlisting>
2319
2320
2321 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2322 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2323 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2324 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2325 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2326 territory free in case we need it later.
2327
2328 </para>
2329 </listitem>
2330
2331 </orderedlist>
2332
2333 </para>
2334 </sect3>
2335
2336 <sect3 id="hoist">
2337 <title>For-all hoisting</title>
2338 <para>
2339 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2340 end of an arrow, thus:
2341 <programlisting>
2342   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2343
2344   g :: Int -> Discard Int
2345   g x y z = x+y
2346 </programlisting>
2347 Simply expanding the type synonym would give
2348 <programlisting>
2349   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2350 </programlisting>
2351 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2352 <programlisting>
2353   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2354 </programlisting>
2355 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2356 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2357 performs the transformation:</emphasis>
2358 <programlisting>
2359   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2360 ==>
2361   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2362 </programlisting>
2363 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2364 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2365 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2366 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2367 <programlisting>
2368   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2369 </programlisting>
2370 </para>
2371 <para>
2372 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2373 example:
2374 <programlisting>
2375   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2376   g :: Foo (Foo Int)
2377 </programlisting>
2378 means
2379 <programlisting>
2380   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2381 </programlisting>
2382 </para>
2383 </sect3>
2384
2385
2386 </sect2>
2387
2388 <sect2 id="implicit-parameters">
2389 <title>Implicit parameters</title>
2390
2391 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2392 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2393 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2394 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2395 Boston, Jan 2000.
2396 </para>
2397
2398 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2399 due to Jeff Lewis.)</para>
2400
2401 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2402 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2403
2404 <para>
2405 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2406 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2407 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2408 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2409 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2410 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2411 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2412 only support static scoping of variables.
2413 </para>
2414 <para>
2415 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2416 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2417 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2418 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2419 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2420 of type <literal>t'</literal>". For
2421 example, the following expresses the type of a sort function,
2422 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2423 <programlisting>
2424   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2425 </programlisting>
2426 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2427 </para>
2428 <para>
2429 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2430 where <literal>x</literal> is
2431 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2432 Use of this construct also introduces a new
2433 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2434 For example, the following definition
2435 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2436 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2437 <programlisting>
2438   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2439
2440   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2441   sort    = sortBy ?cmp
2442 </programlisting>
2443 </para>
2444
2445 <sect3>
2446 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2447 <para>
2448 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2449 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2450 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2451 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2452 to pick out the least value in a list:
2453 <programlisting>
2454   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2455   least xs = fst (sort xs)
2456 </programlisting>
2457 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2458 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2459 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2460 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2461 propagate them.
2462 </para>
2463 <para>
2464 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2465 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2466 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2467 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2468 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2469 class constraints.
2470 </para>
2471
2472 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2473 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2474 <programlisting>
2475   class (?x::Int) => C a where ...
2476   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2477 </programlisting>
2478 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2479 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2480 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2481 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2482 <para>
2483 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2484 <programlisting>
2485    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2486    f n = n + length ?x
2487
2488    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2489    g s = show (read s)
2490 </programlisting>
2491 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2492 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2493 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2494 </para>
2495 </sect3>
2496
2497 <sect3>
2498 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2499
2500 <para>
2501 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2502 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2503 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2504 <literal>cmp</literal>.
2505 <programlisting>
2506   min :: [a] -> a
2507   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2508 </programlisting>
2509 </para>
2510 <para>
2511 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2512 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2513 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2514 or a <literal>where</literal> clause.
2515 Note the following points:
2516 <itemizedlist>
2517 <listitem><para>
2518 An implicit-parameter binding group must be a
2519 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2520 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2521 neither polymorphic or recursive.  
2522 </para></listitem>
2523 <listitem><para>
2524 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2525 single <literal>let</literal>
2526 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2527 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2528 </para></listitem>
2529
2530 <listitem><para>
2531 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2532 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2533 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2534 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2535 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2536 the meaning of the program.
2537 For example, consider:
2538 <programlisting>
2539   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2540 </programlisting>
2541 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2542 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2543 <programlisting>
2544   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2545 </programlisting>
2546 </para></listitem>
2547 </itemizedlist>
2548 </para>
2549
2550 </sect3>
2551
2552 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2553
2554 <para>
2555 Consider these two definitions:
2556 <programlisting>
2557   len1 :: [a] -> Int
2558   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2559
2560   len_acc1 [] = ?acc
2561   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2562
2563   ------------
2564
2565   len2 :: [a] -> Int
2566   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2567
2568   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2569   len_acc2 [] = ?acc
2570   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2571 </programlisting>
2572 The only difference between the two groups is that in the second group
2573 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2574 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2575 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2576 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2577 has a type signature, the recursive call is made to the
2578 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2579 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2580 <programlisting>
2581   Prog> len1 "hello"
2582   0
2583   Prog> len2 "hello"
2584   5
2585 </programlisting>
2586 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2587 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2588 </para>
2589 </sect3>
2590
2591 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2592
2593 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2594 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2595 <programlisting>
2596  f :: Int -> Int
2597   f v = let ?x = 0     in
2598         let y = ?x + v in
2599         let ?x = 5     in
2600         y
2601 </programlisting>
2602 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2603 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2604 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2605 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2606 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2607 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2608 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2609 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2610 <literal>14</literal>.
2611 </para>
2612 </sect3>
2613 </sect2>
2614
2615 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2616 <title>Linear implicit parameters</title>
2617 <para>
2618 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2619 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2620 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2621 </para>
2622 <itemizedlist>
2623 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2624 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2625 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2626 </itemizedlist>
2627
2628 <para>
2629 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2630 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2631 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2632 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2633 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2634 </para>
2635 <para>
2636 For example:
2637 <programlisting>
2638     import GHC.Exts( Splittable )
2639
2640     data NameSupply = ...
2641     
2642     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2643     newName :: NameSupply -> Name
2644
2645     instance Splittable NameSupply where
2646         split = splitNS
2647
2648
2649     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2650     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2651                     where
2652                       x'   = newName %ns
2653                       env' = extend env x x'
2654     ...more equations for f...
2655 </programlisting>
2656 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2657 <itemizedlist>
2658 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2659 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2660 </itemizedlist>
2661 </para>
2662 <para>
2663 So the translation done by the type checker makes
2664 the parameter explicit:
2665 <programlisting>
2666     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2667     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2668                        where
2669                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2670                          x' = newName ns2
2671                          env = extend env x x'
2672 </programlisting>
2673 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2674 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2675 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2676 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2677 <programlisting>
2678         class Splittable a where
2679           split :: a -> (a,a)
2680 </programlisting>
2681 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2682 split for name supplies.  But we can simply write
2683 <programlisting>
2684         g x = (x, %ns, %ns)
2685 </programlisting>
2686 and GHC will infer
2687 <programlisting>
2688         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2689 </programlisting>
2690 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2691 <literal>GHC.Exts</literal>.
2692 </para>
2693 <para>
2694 Other points:
2695 <itemizedlist>
2696 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2697 are entirely distinct implicit parameters: you 
2698   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2699 </listitem>
2700
2701 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2702
2703 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2704   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2705 </itemizedlist>
2706 </para>
2707
2708 <sect3><title>Warnings</title>
2709
2710 <para>
2711 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2712 Consider the example above:
2713 <programlisting>
2714     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2715     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2716                     where
2717                       x'   = newName %ns
2718                       env' = extend env x x'
2719 </programlisting>
2720 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2721 usually a harmless thing to do, we get:
2722 <programlisting>
2723     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2724     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2725                     where
2726                       env' = extend env x (newName %ns)
2727 </programlisting>
2728 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2729 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2730 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2731 the beta rule.
2732 </para>
2733 <para>
2734 Well, this is an experimental change.  With implicit
2735 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2736 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2737 Haskell programs without knowing their typing.
2738 </para>
2739
2740 </sect3>
2741
2742 <sect3><title>Recursive functions</title>
2743 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2744 Consider
2745 <programlisting>
2746         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2747         foo 0 = []
2748         foo n = %x : foo (n-1)
2749 </programlisting>
2750 where T is some type in class Splittable.</para>
2751 <para>
2752 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2753 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2754 </para><para>
2755 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2756 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2757 translated term, where the implicit param is made explicit:
2758 <programlisting>
2759         foo x 0 = []
2760         foo x n = let (x1,x2) = split x
2761                   in x1 : foo x2 (n-1)
2762 </programlisting>
2763 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2764 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2765 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2766 work.  So the translation becomes
2767 <programlisting>
2768         foo x = let
2769                   foom 0 = []
2770                   foom n = x : foom (n-1)
2771                 in
2772                 foom
2773 </programlisting>
2774 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2775 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2776 Yikes!
2777 </para><para>
2778 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2779 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2780 </para>
2781 </sect3>
2782
2783 </sect2>
2784
2785 <sect2 id="sec-kinding">
2786 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2787
2788 <para>
2789 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2790 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2791 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2792 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2793 John Hughes had to define the data type:
2794 <screen>
2795      data Set cxt a = Set [a]
2796                     | Unused (cxt a -> ())
2797 </screen>
2798 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2799 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2800 </para>
2801 <para>
2802 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2803 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2804 <itemizedlist>
2805 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2806 <screen>
2807   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2808 </screen></para></listitem>
2809 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2810 <screen>
2811   type T (f :: * -> *) = f Int
2812 </screen></para></listitem>
2813 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2814 <screen>
2815   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2816 </screen></para></listitem>
2817 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2818 <screen>
2819   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2820 </screen></para></listitem>
2821 </itemizedlist>
2822 </para>
2823
2824 <para>
2825 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2826 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2827 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2828 single lexeme in Haskell.
2829 </para>
2830
2831 <para>
2832 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2833 as well.  Thus:
2834 <screen>
2835    f :: (Int :: *) -> Int
2836    g :: forall a. a -> (a :: *)
2837 </screen>
2838 The syntax is
2839 <screen>
2840    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2841 </screen>
2842 The parentheses are required.
2843 </para>
2844 </sect2>
2845
2846
2847 <sect2 id="universal-quantification">
2848 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2849 </title>
2850
2851 <para>
2852 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2853 allows us to say exactly what this means.  For example:
2854 </para>
2855 <para>
2856 <programlisting>
2857         g :: b -> b
2858 </programlisting>
2859 means this:
2860 <programlisting>
2861         g :: forall b. (b -> b)
2862 </programlisting>
2863 The two are treated identically.
2864 </para>
2865
2866 <para>
2867 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2868 explicit universal quantification in
2869 types. 
2870 For example, all the following types are legal:
2871 <programlisting>
2872     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2873     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2874
2875     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2876     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2877
2878     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2879 </programlisting>
2880 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2881 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2882 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2883 is implicitly added by Haskell.
2884 </para>
2885 <para>
2886 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2887 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2888 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2889 </para>
2890 <para>
2891 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2892 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2893 </para>
2894 <para>
2895 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2896 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2897 that restriction has now been lifted.)
2898 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2899 including an operational type class context, is legal:
2900 <itemizedlist>
2901 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2902 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2903 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2904 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2905 field type signatures.</para> </listitem>
2906 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2907 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2908 </itemizedlist>
2909 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2910 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2911 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2912 <programlisting>
2913     x1 :: [forall a. a->a]
2914     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2915     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2916 </programlisting>
2917 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2918 a type variable any more!
2919 </para>
2920
2921
2922 <sect3 id="univ">
2923 <title>Examples
2924 </title>
2925
2926 <para>
2927 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2928 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2929 </para>
2930
2931 <para>
2932
2933 <programlisting>
2934 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2935
2936 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2937                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2938                         }
2939
2940 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2941 </programlisting>
2942
2943 </para>
2944
2945 <para>
2946 The constructors have rank-2 types:
2947 </para>
2948
2949 <para>
2950
2951 <programlisting>
2952 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2953 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2954                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2955                   -> MonadT m
2956 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2957 </programlisting>
2958
2959 </para>
2960
2961 <para>
2962 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2963 explicit context.  For example in the first argument of the
2964 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2965 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2966 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2967 mentioned in the type quantified over.
2968 </para>
2969
2970 <para>
2971 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2972 types too.  So if you write this:
2973
2974 <programlisting>
2975   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2976 </programlisting>
2977
2978 it's just as if you had written this:
2979
2980 <programlisting>
2981   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2982 </programlisting>
2983
2984 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2985 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2986 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2987 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2988 </para>
2989
2990 <para>
2991 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2992 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2993 </para>
2994
2995 <para>
2996
2997 <programlisting>
2998     a1 :: T Int
2999     a1 = T1 (\xy->x) 3
3000     
3001     a2, a3 :: Swizzle
3002     a2 = MkSwizzle sort
3003     a3 = MkSwizzle reverse
3004     
3005     a4 :: MonadT Maybe
3006     a4 = let r x = Just x
3007              b m k = case m of
3008                        Just y -> k y
3009                        Nothing -> Nothing
3010          in
3011          MkMonad r b
3012
3013     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
3014     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
3015 </programlisting>
3016
3017 </para>
3018
3019 <para>
3020 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
3021 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
3022 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
3023 </para>
3024
3025 <para>
3026 When you use pattern matching, the bound variables may now have
3027 polymorphic types.  For example:
3028 </para>
3029
3030 <para>
3031
3032 <programlisting>
3033     f :: T a -> a -> (a, Char)
3034     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3035
3036     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
3037     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
3038
3039     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
3040     h m [] = return m []
3041     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
3042                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
3043                  return m (y:ys)
3044 </programlisting>
3045
3046 </para>
3047
3048 <para>
3049 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
3050 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
3051 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
3052 matching.
3053 </para>
3054 </sect3>
3055
3056 <sect3>
3057 <title>Type inference</title>
3058
3059 <para>
3060 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
3061 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
3062 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
3063 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
3064 </para>
3065 <para>
3066 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
3067 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
3068 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
3069 </para>
3070 <para>
3071 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
3072 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
3073 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
3074 <programlisting>
3075      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
3076 </programlisting>
3077 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
3078 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
3079 <programlisting>
3080      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3081 </programlisting>
3082 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
3083 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
3084 one can give a type signature for the function itself:
3085 <programlisting>
3086      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
3087      h f = (f True, f 'c')
3088 </programlisting>
3089 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
3090 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
3091 <programlisting>
3092     f :: T a -> a -> (a, Char)
3093     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
3094 </programlisting>
3095 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
3096 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
3097 it needs to know.
3098 </para>
3099
3100 </sect3>
3101
3102
3103 <sect3 id="implicit-quant">
3104 <title>Implicit quantification</title>
3105
3106 <para>
3107 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
3108 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
3109 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
3110 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
3111 equivalent:
3112 <programlisting>
3113   f :: a -> a
3114   f :: forall a. a -> a
3115
3116   g (x::a) = let
3117                 h :: a -> b -> b
3118                 h x y = y
3119              in ...
3120   g (x::a) = let
3121                 h :: forall b. a -> b -> b
3122                 h x y = y
3123              in ...
3124 </programlisting>
3125 </para>
3126 <para>
3127 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
3128 point.  For example:
3129 <programlisting>
3130   f :: (a -> a) -> Int
3131            -- MEANS
3132   f :: forall a. (a -> a) -> Int
3133            -- NOT
3134   f :: (forall a. a -> a) -> Int
3135
3136
3137   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
3138            -- MEANS the illegal type
3139   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
3140            -- NOT
3141   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
3142 </programlisting>
3143 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
3144 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
3145 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
3146 for rank-2 types.
3147 </para>
3148 </sect3>
3149 </sect2>
3150
3151
3152
3153
3154 <sect2 id="scoped-type-variables">
3155 <title>Scoped type variables
3156 </title>
3157
3158 <para>
3159 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
3160 <itemizedlist>
3161 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
3162 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
3163 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
3164 </itemizedlist>
3165 For example:
3166 <programlisting>
3167 f (xs::[a]) = ys ++ ys
3168            where
3169               ys :: [a]
3170               ys = reverse xs
3171 </programlisting>
3172 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
3173 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
3174 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
3175 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
3176 </para>
3177
3178 <para>
3179 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
3180 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
3181 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
3182 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
3183 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
3184 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
3185 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
3186 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
3187 it becomes possible to do so.
3188 </para>
3189
3190 <para>
3191 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
3192 implementations differ from the specification below, those differences
3193 are noted.
3194 </para>
3195
3196 <para>
3197 So much for the basic idea.  Here are the details.
3198 </para>
3199
3200 <sect3>
3201 <title>What a scoped type variable means</title>
3202 <para>
3203 A lexically-scoped type variable is simply
3204 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
3205 of the same name mean the same type.  For example:
3206 <programlisting>
3207   f :: [Int] -> Int -> Int
3208   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
3209 </programlisting>
3210 The pattern type signatures on the left hand side of
3211 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
3212 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
3213 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
3214 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
3215 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
3216 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
3217 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
3218 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
3219 For example, all of these are legal:</para>
3220
3221 <programlisting>
3222   t (x::a) (y::a) = x+y*2
3223
3224   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
3225
3226   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
3227
3228   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
3229         in k x                  -- environment
3230
3231   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
3232   k (x::Int) False = ...
3233
3234   w :: [b] -> [b]
3235   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
3236 </programlisting>
3237
3238 </sect3>
3239
3240 <sect3>
3241 <title>Scope and implicit quantification</title>
3242
3243 <para>
3244
3245 <itemizedlist>
3246 <listitem>
3247
3248 <para>
3249 All the type variables mentioned in a pattern,
3250 that are not already in scope,
3251 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
3252 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
3253 For example:
3254 <programlisting>
3255   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
3256              in
3257              g (x,True)
3258 </programlisting>
3259 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
3260 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
3261 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
3262 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
3263 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
3264 </para>
3265 </listitem>
3266
3267 <listitem>
3268 <para>
3269 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
3270 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
3271 <programlisting>
3272   let
3273     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3274     (p::b, q::b) = (1,2)
3275   in &lt;...body of let...>
3276 </programlisting>
3277 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3278 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3279 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3280 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3281 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3282 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3283 </para>
3284 </listitem>
3285
3286
3287 <listitem>
3288 <para>
3289 The type variables bound by the pattern may be 
3290 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3291 type signatures anywhere within their scope.
3292
3293 </para>
3294 </listitem>
3295
3296 <listitem>
3297 <para>
3298  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3299 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3300
3301 </para>
3302 </listitem>
3303
3304 <listitem>
3305
3306 <para>
3307  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3308 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3309
3310 <programlisting>
3311   f :: a -> a
3312   f x = x::a
3313 </programlisting>
3314
3315 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3316 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3317 and that is an incorrect typing.
3318
3319 </para>
3320 </listitem>
3321
3322 <listitem>
3323 <para>
3324 The pattern type signature is a monotype:
3325 </para>
3326
3327 <itemizedlist>
3328 <listitem> <para> 
3329 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3330 </para> </listitem>
3331
3332 <listitem>  <para> 
3333 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3334 not to type schemes.
3335 </para> </listitem>
3336
3337 <listitem>  <para> 
3338 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3339 ordinary type signatures).
3340 </para> </listitem>
3341
3342 </itemizedlist>
3343
3344 </listitem>
3345
3346 <listitem>
3347 <para>
3348
3349 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3350 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3351
3352
3353 <programlisting>
3354   class C a where
3355     op :: [a] -> a
3356
3357     op xs = let ys::[a]
3358                 ys = reverse xs
3359             in
3360             head ys
3361 </programlisting>
3362
3363
3364 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3365 </para>
3366 </listitem>
3367
3368 </itemizedlist>
3369
3370 </para>
3371
3372 </sect3>
3373
3374 <sect3 id="decl-type-sigs">
3375 <title>Declaration type signatures</title>
3376 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3377 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3378 explicitly-quantified
3379 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3380 <programlisting>
3381   f :: forall a. [a] -> [a]
3382   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3383 </programlisting>
3384 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3385 the definition of "<literal>f</literal>".
3386 </para>
3387 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3388 signature is explicit.  For example:
3389 <programlisting>
3390   g :: [a] -> [a]
3391   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3392 </programlisting>
3393 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3394 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3395 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3396 quantification rules.
3397 </para>
3398 </sect3>
3399
3400 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3401 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3402
3403 <para>
3404 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3405 <itemizedlist>
3406
3407 <listitem>
3408 <para>
3409 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3410 just on a variable:
3411
3412
3413 <programlisting>
3414   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3415 </programlisting>
3416
3417
3418 </para>
3419 </listitem>
3420 <listitem>
3421
3422 <para>
3423  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3424 in lambda abstractions:
3425
3426 <programlisting>
3427   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3428 </programlisting>
3429 </para>
3430 </listitem>
3431 <listitem>
3432
3433 <para>
3434  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3435 in <literal>case</literal> expressions:
3436
3437 <programlisting>
3438   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3439 </programlisting>
3440
3441 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3442 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3443 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3444 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3445 arrow and give a parse error later.
3446
3447 </para>
3448
3449 </listitem>
3450
3451 <listitem>
3452 <para>
3453 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3454 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3455 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3456 consider how one would parse this:
3457
3458
3459 <programlisting>
3460   \ x :: a -> b -> x
3461 </programlisting>
3462
3463
3464 </para>
3465 </listitem>
3466
3467 <listitem>
3468
3469 <para>
3470  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3471 For example:
3472
3473
3474 <programlisting>
3475   data T = forall a. MkT [a]
3476
3477   f :: T -> T
3478   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3479                  where
3480                    t3::[a] = [t,t,t]
3481 </programlisting>
3482
3483
3484 </para>
3485 </listitem>
3486
3487
3488 <listitem>
3489
3490 <para>
3491 Pattern type signatures 
3492 can be used in pattern bindings:
3493
3494 <programlisting>
3495   f x = let (y, z::a) = x in ...
3496   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3497   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3498   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3499 </programlisting>
3500
3501 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3502 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3503 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3504 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3505 In contrast, the binding
3506 <programlisting>
3507   f4 :: b->b
3508   f4 = \x -> x
3509 </programlisting>
3510 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3511 in <literal>f4</literal>'s scope.
3512
3513 </para>
3514 </listitem>
3515 </itemizedlist>
3516 </para>
3517 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3518 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3519
3520 </sect3>
3521
3522 <sect3 id="result-type-sigs">
3523 <title>Result type signatures</title>
3524
3525 <para>
3526 The result type of a function can be given a signature, thus:
3527
3528
3529 <programlisting>
3530   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3531 </programlisting>
3532
3533
3534 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3535 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3536 you want:
3537
3538
3539 <programlisting>
3540   f :: Int -> [a] -> [a]
3541   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3542                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3543 </programlisting>
3544
3545 </para>
3546 <para>
3547 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3548 of the definition. However, consider this corner-case:
3549 <programlisting>
3550   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3551
3552   foo ys = rev (ys::[a])
3553 </programlisting>
3554 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3555 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3556 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3557 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3558 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3559 </para>
3560 <para>
3561 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3562 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3563 is polymorphic:
3564 <programlisting>
3565   rev1 :: [b] -> [b]
3566   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3567 </programlisting>
3568 </para>
3569
3570 <para>
3571 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3572 </para>
3573
3574 </sect3>
3575
3576 </sect2>
3577
3578 <sect2 id="deriving-typeable">
3579 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3580
3581 <para>
3582 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3583 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3584 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3585 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3586 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3587 </para>
3588 <para>
3589 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3590 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3591 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3592 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3593 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3594 </para>
3595 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3596 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3597 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3598 described in
3599 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3600 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3601 </ulink>.
3602 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3603 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3604 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3605 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3606 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3607 then writing the data type instance by hand.
3608 </para>
3609 </sect2>
3610
3611 <sect2 id="newtype-deriving">
3612 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3613
3614 <para>
3615 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3616 the new type to inherit some instances from its representation. In
3617 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3618 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3619 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3620 example, if you define
3621
3622 <programlisting> 
3623   newtype Dollars = Dollars Int 
3624 </programlisting> 
3625
3626 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3627 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3628
3629 <programlisting> 
3630   instance Num Dollars where
3631     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3632     ...
3633 </programlisting>
3634 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3635 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3636 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3637 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3638 dictionary, only slower!
3639 </para>
3640
3641
3642 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3643 <para>
3644 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3645 <programlisting> 
3646   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3647 </programlisting> 
3648
3649 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3650 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3651 derives an instance declaration of the form
3652
3653 <programlisting> 
3654   instance Num Int => Num Dollars
3655 </programlisting> 
3656
3657 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3658 </para>
3659 <para>
3660
3661 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3662 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3663 transformers, such that
3664
3665 <programlisting> 
3666   instance Monad m => Monad (State s m) 
3667   instance Monad m => Monad (Failure m)
3668 </programlisting> 
3669 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3670 <programlisting> 
3671   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3672 </programlisting> 
3673
3674 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3675 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3676 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3677
3678 <programlisting> 
3679   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3680                          deriving Monad
3681 </programlisting>
3682 In this case the derived instance declaration is of the form 
3683 <programlisting> 
3684   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3685 </programlisting> 
3686
3687 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3688 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3689 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3690 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3691 declaration.
3692 </para>
3693 <para>
3694
3695 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3696 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3697 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3698 clause. For example, given the class
3699
3700 <programlisting> 
3701   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3702   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3703 </programlisting> 
3704 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3705 <programlisting> 
3706   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3707                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3708 </programlisting>
3709
3710 The derived instance is obtained by completing the application of the
3711 class to the new type:
3712
3713 <programlisting> 
3714   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3715            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3716 </programlisting>
3717 </para>
3718 <para>
3719
3720 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3721  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3722 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3723 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3724 the newtype and its representation.
3725 </para>
3726 </sect3>
3727
3728 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3729 <para>
3730 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3731 declaration (after expansion of any type synonyms)
3732
3733 <programlisting> 
3734   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3735 </programlisting> 
3736
3737 where 
3738  <itemizedlist>
3739 <listitem><para>
3740   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3741 </para></listitem>
3742 <listitem><para>
3743   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3744 </para></listitem>
3745 <listitem><para>
3746   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3747   the <literal>ti</literal>, and
3748 </para></listitem>
3749 <listitem><para>
3750   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3751   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3752   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3753 </para></listitem>
3754 <listitem><para>
3755   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3756                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3757                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3758                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3759                 via this new mechanism.  
3760 </para></listitem>
3761 </itemizedlist>
3762 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3763 declaration is:
3764 <programlisting> 
3765   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3766 </programlisting>
3767 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3768 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3769 </para>
3770 <para>
3771
3772 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3773 <programlisting> 
3774   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3775 </programlisting> 
3776 Here we cannot derive the instance 
3777 <programlisting> 
3778   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3779 </programlisting> 
3780
3781 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3782 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3783 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3784 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3785 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3786 </para>
3787 <para>
3788
3789 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3790 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3791 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3792
3793 <programlisting> 
3794   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3795 </programlisting>
3796
3797 then we would not have been able to derive an instance for the
3798 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3799 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3800 instances is most interesting.
3801 </para>
3802 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3803 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3804 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3805 4.3.3. of the Haskell Report).
3806 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3807 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3808 the standard method is used or the one described here.)
3809 </para>
3810 </sect3>
3811
3812 </sect2>
3813
3814 <sect2 id="typing-binds">
3815 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3816
3817 <para>
3818 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3819 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3820 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3821 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3822 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3823 As each group is type-checked, any binders of the group that
3824 have
3825 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3826 polymorphic type,
3827 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3828 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3829 </para>
3830
3831 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3832 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3833 Haskell</ulink>,
3834 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3835 specified:
3836 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3837 type signature</emphasis>.
3838 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3839 typecheck.  For example, consider:
3840 <programlisting>
3841   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3842   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3843   
3844   g y = (y &lt;= y) || f True
3845 </programlisting>
3846 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3847 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3848 <literal>f</literal>,
3849 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3850 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3851 type is generalised, to get
3852 <programlisting>
3853   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3854 </programlisting>
3855 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3856 <literal>g</literal> in the type environment.
3857 </para>
3858
3859 <para>
3860 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3861 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3862 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3863 <option>-fglasgow-exts</option>
3864 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3865 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3866 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3867 <programlisting>
3868   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3869   f x = (x == x) || g True
3870   
3871   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3872   g y = (y &lt;= y) || f True
3873 </programlisting>
3874 </para>
3875 </sect2>
3876
3877 </sect1>
3878 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3879   
3880 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3881
3882 <sect1 id="gadt">
3883 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3884
3885 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3886 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3887 <programlisting>
3888   data Term a where
3889       Lit    :: Int -> Term Int
3890       Succ   :: Term Int -> Term Int
3891       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3892       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3893       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3894 </programlisting>
3895 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3896 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3897 for these <literal>Terms</literal>:
3898 <programlisting>
3899   eval :: Term a -> a
3900   eval (Lit i)      = i
3901   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3902   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3903   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3904   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3905 </programlisting>
3906 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3907 </para>
3908 <para> The extensions to GHC are these:
3909 <itemizedlist>
3910 <listitem><para>
3911   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3912 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3913 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3914 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3915 <programlisting>
3916   data Term :: * -> * where ...
3917 </programlisting>
3918 or even a mixture of the two:
3919 <programlisting>
3920   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3921 </programlisting>
3922 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3923 like this:
3924 <programlisting>
3925   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3926 </programlisting>
3927 </para></listitem>
3928
3929 <listitem><para>
3930 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3931 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3932 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3933 </para></listitem>
3934
3935 <listitem><para>
3936 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3937
3938 <programlisting>
3939   data Term a where
3940       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3941       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3942       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3943       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3944       Pair   { arg1 :: Term a
3945              , arg2 :: Term b
3946              }                    :: Term (a,b)
3947       If     { cnd  :: Term Bool
3948              , tru  :: Term a
3949              , fls  :: Term a
3950              }                    :: Term a
3951 </programlisting>
3952 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3953 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3954 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3955 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3956 fields above into a 
3957 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3958 their selector functions actually have different types:
3959
3960 <programlisting>
3961   num :: Term Int -> Term Int
3962   arg :: Term Bool -> Term Int
3963 </programlisting>
3964
3965 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3966 limited to record construction, selection and pattern matching:
3967
3968 <programlisting>
3969   someTerm :: Term Bool
3970   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3971
3972   eval :: Term a -> a
3973   eval Lit    { val = i } = i
3974   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3975   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3976   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3977   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3978   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3979 </programlisting>
3980
3981 </para></listitem>
3982
3983 <listitem><para>
3984 You can use strictness annotations, in the obvious places
3985 in the constructor type:
3986 <programlisting>
3987   data Term a where
3988       Lit    :: !Int -> Term Int
3989       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3990       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3991 </programlisting>
3992 </para></listitem>
3993
3994 <listitem><para>
3995 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3996 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3997 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3998 <programlisting>
3999   data Maybe1 a where {
4000       Nothing1 :: Maybe a ;
4001       Just1    :: a -> Maybe a
4002     } deriving( Eq, Ord )
4003
4004   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
4005        deriving( Eq, Ord )
4006 </programlisting>
4007 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
4008 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
4009 </para></listitem>
4010
4011 <listitem><para>
4012 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
4013 <programlisting>
4014   eval :: Term a -> a
4015   eval (Lit i) =  ...
4016 </programlisting>
4017 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
4018 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
4019 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
4020
4021 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
4022 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
4023 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
4024 <programlisting>
4025   eval :: Term a -> a -> a
4026   eval (Lit i) j =  i+j
4027 </programlisting>
4028 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
4029 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
4030 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
4031 </para>
4032 </listitem>
4033 </itemizedlist>
4034 </para>
4035
4036 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
4037 <programlisting>
4038   data T a = forall b. MkT b (b->a)
4039   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
4040 </programlisting>
4041 </para>
4042 </sect1>
4043
4044 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
4045
4046 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
4047
4048 <sect1 id="template-haskell">
4049 <title>Template Haskell</title>
4050
4051 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
4052 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
4053 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
4054 the background to
4055 the main technical innovations is discussed in "<ulink
4056 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
4057 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
4058 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
4059 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
4060 (search for the type ExpQ).
4061 [Temporary: many changes to the original design are described in 
4062       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
4063 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
4064 </para>
4065
4066 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
4067 </para>
4068
4069 <para>
4070 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
4071 Tim Sheard is going to expand it.)
4072 </para>
4073
4074     <sect2>
4075       <title>Syntax</title>
4076
4077       <para> Template Haskell has the following new syntactic
4078       constructions.  You need to use the flag
4079       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
4080       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
4081       (<option>-fth</option> is currently implied by
4082       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
4083       specify it explicitly).</para>
4084
4085         <itemizedlist>
4086               <listitem><para>
4087                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
4088                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
4089                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
4090                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
4091                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
4092                   </para>
4093               <para> A splice can occur in place of 
4094                   <itemizedlist>
4095                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
4096                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
4097                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
4098                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
4099                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
4100                     </itemizedlist>
4101            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
4102         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
4103         as in the paper.)
4104                 </para></listitem>
4105
4106
4107               <listitem><para>
4108                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
4109                   <itemizedlist>
4110                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
4111                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
4112                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
4113                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
4114                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
4115                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
4116                   </itemizedlist></para></listitem>
4117
4118               <listitem><para>
4119                   Reification is written thus:
4120                   <itemizedlist>
4121                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
4122                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
4123                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
4124                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
4125                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
4126                     
4127                   </itemizedlist></para>
4128                 </listitem>
4129
4130                   
4131         </itemizedlist>
4132 </sect2>
4133
4134 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
4135 <para>
4136 <itemizedlist>
4137     <listitem><para>
4138     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
4139     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
4140     </para></listitem>
4141
4142     <listitem><para>
4143     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
4144             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
4145             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
4146    </para></listitem>
4147
4148     <listitem><para>
4149             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
4150    </para></listitem>
4151     <listitem><para>
4152             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
4153               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
4154               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
4155               the program it compiles produces results whose representations are identical to
4156               those of the compiler itself.
4157    </para></listitem>
4158 </itemizedlist>
4159 </para>
4160 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
4161         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
4162         has been lifted.
4163 </para>
4164 </sect2>
4165  
4166 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
4167 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
4168   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
4169
4170 <programlisting>
4171
4172 {- Main.hs -}
4173 module Main where
4174
4175 -- Import our template "pr"
4176 import Printf ( pr )
4177
4178 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
4179 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
4180 -- the argument of "putStrLn".
4181 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
4182
4183
4184 {- Printf.hs -}
4185 module Printf where
4186
4187 -- Skeletal printf from the paper.
4188 -- It needs to be in a separate module to the one where
4189 -- you intend to use it.
4190
4191 -- Import some Template Haskell syntax
4192 import Language.Haskell.TH
4193
4194 -- Describe a format string
4195 data Format = D | S | L String
4196
4197 -- Parse a format string.  This is left largely to you
4198 -- as we are here interested in building our first ever
4199 -- Template Haskell program and not in building printf.
4200 parse :: String -> [Format]
4201 parse s   = [ L s ]
4202
4203 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
4204 -- of the format string.  This code will be spliced into
4205 -- the module which calls "pr", at compile time.
4206 gen :: [Format] -> ExpQ
4207 gen [D]   = [| \n -> show n |]
4208 gen [S]   = [| \s -> s |]
4209 gen [L s] = stringE s
4210
4211 -- Here we generate the Haskell code for the splice
4212 -- from an input format string.
4213 pr :: String -> ExpQ
4214 pr s      = gen (parse s)
4215 </programlisting>
4216
4217 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
4218 </para>
4219 <programlisting>
4220 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
4221 </programlisting>
4222
4223 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
4224
4225 <programlisting>
4226 $ ./main
4227 Hello
4228 </programlisting>
4229
4230 </sect2>
4231  
4232 </sect1>
4233
4234 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
4235
4236 <sect1 id="arrow-notation">
4237 <title>Arrow notation
4238 </title>
4239
4240 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
4241 For more details, see
4242 <itemizedlist>
4243
4244 <listitem>
4245 <para>
4246 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
4247 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
4248 pp67&ndash;111, May 2000.
4249 </para>
4250 </listitem>
4251
4252 <listitem>
4253 <para>
4254 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
4255 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
4256 </para>
4257 </listitem>
4258
4259 <listitem>
4260 <para>
4261 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
4262 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
4263 Palgrave, 2003.
4264 </para>
4265 </listitem>
4266
4267 </itemizedlist>
4268 and the arrows web page at
4269 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4270 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4271 notation described in the second of these papers.
4272 What follows is a brief introduction to the notation;
4273 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4274 This notation is translated to ordinary Haskell,
4275 using combinators from the
4276 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4277 module.
4278 </para>
4279
4280 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4281 <screen>
4282 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4283        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4284 </screen>
4285 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4286 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4287 <literal>proc</literal>-expression,
4288 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4289 The syntax of commands is as follows:
4290 <screen>
4291 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4292        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4293        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4294 </screen>
4295 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4296 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4297 infix operators as for expressions, and
4298 <screen>
4299 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4300        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4301        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4302        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4303        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4304        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4305
4306 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4307        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4308        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4309
4310 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4311        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4312        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4313        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4314 </screen>
4315 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4316 except that the bodies are commands instead of expressions.
4317 </para>
4318
4319 <para>
4320 Commands produce values, but (like monadic computations)
4321 may yield more than one value,
4322 or none, and may do other things as well.
4323 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4324 using commands.
4325 However the values of expressions, even monadic ones,
4326 are determined by the values of the variables they contain;
4327 this is not necessarily the case for commands.
4328 </para>
4329
4330 <para>
4331 A simple example of the new notation is the expression
4332 <screen>
4333 proc x -> f -&lt; x+1
4334 </screen>
4335 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4336 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4337 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4338 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4339 It refers to the input to the arrow.
4340 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4341 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4342 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4343 (The weird look will make more sense later.)
4344 It may be read as analogue of application for arrows.
4345 The above example is equivalent to the Haskell expression
4346 <screen>
4347 arr (\ x -> x+1) >>> f
4348 </screen>
4349 That would make no sense if the expression to the left of
4350 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4351 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4352 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4353 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4354 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4355 <screen>
4356 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4357 </screen>
4358 which is equivalent to
4359 <screen>
4360 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4361 </screen>
4362 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4363 class.
4364 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4365 you may find a monadic formulation more convenient.
4366 </para>
4367
4368 <sect2>
4369 <title>do-notation for commands</title>
4370
4371 <para>
4372 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4373 For example, you can write
4374 <screen>
4375 proc x -> do
4376         y &lt;- f -&lt; x+1
4377         g -&lt; 2*y
4378         let z = x+y
4379         t &lt;- h -&lt; x*z
4380         returnA -&lt; t+z
4381 </screen>
4382 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4383 but with commands in place of monadic expressions.
4384 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4385 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4386 <literal>y</literal>.
4387 In the next line, the output is discarded.
4388 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4389 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4390 module as <literal>arr id</literal>.
4391 The above example is treated as an abbreviation for
4392 <screen>
4393 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4394         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4395         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4396         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4397         arr snd >>>
4398         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4399         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4400         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4401         returnA
4402 </screen>
4403 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4404 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4405 defined in the
4406 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4407 module, this reduces to
4408 <screen>
4409 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4410         first f >>>
4411         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4412         first g >>>
4413         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4414         first h >>>
4415         arr (\ (t, z) -> t+z)
4416 </screen>
4417 which is what you might have written by hand.
4418 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4419 </para>
4420
4421 <para>
4422 Note that although the above translation suggests that
4423 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4424 monomorphic, the actual translation produces Core,
4425 so polymorphic variables are allowed.
4426 </para>
4427
4428 <para>
4429 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4430 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4431 <programlisting>
4432 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4433 counter = proc reset -> do
4434         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4435                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4436         returnA -&lt; output
4437 </programlisting>
4438 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4439 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4440 </para>
4441
4442 </sect2>
4443
4444 <sect2>
4445 <title>Conditional commands</title>
4446
4447 <para>
4448 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4449 input for an arrow.
4450 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4451 <screen>
4452 proc (x,y) ->
4453         if f x y
4454         then g -&lt; x+1
4455         else h -&lt; y+2
4456 </screen>
4457 which is translated to
4458 <screen>
4459 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4460         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4461 </screen>
4462 Since the translation uses <function>|||</function>,
4463 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4464 </para>
4465
4466 <para>
4467 There are also <literal>case</literal> commands, like
4468 <screen>
4469 case input of
4470     [] -> f -&lt; ()
4471     [x] -> g -&lt; x+1
4472     x1:x2:xs -> do
4473         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4474         ys &lt;- k -&lt; xs
4475         returnA -&lt; y:ys
4476 </screen>
4477 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4478 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4479 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4480 </para>
4481
4482 </sect2>
4483
4484 <sect2>
4485 <title>Defining your own control structures</title>
4486
4487 <para>
4488 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4489 modelled on those for expressions,
4490 for sequencing, value recursion and conditionals.
4491 But suitable combinators,
4492 which you can define in ordinary Haskell,
4493 may also be used to build new commands out of existing ones.
4494 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4495 These environments assign values to the free local variables of the command.
4496 Thus combinators that produce arrows from arrows
4497 may also be used to build commands from commands.
4498 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4499 <programlisting>
4500 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4501 </programlisting>
4502 so we can use it to build commands:
4503 <programlisting>
4504 expr' = proc x -> do
4505                 returnA -&lt; x
4506         &lt;+> do
4507                 symbol Plus -&lt; ()
4508                 y &lt;- term -&lt; ()
4509                 expr' -&lt; x + y
4510         &lt;+> do
4511                 symbol Minus -&lt; ()
4512                 y &lt;- term -&lt; ()
4513                 expr' -&lt; x - y
4514 </programlisting>
4515 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4516 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4517 expression on the previous line.)
4518 This is equivalent to
4519 <programlisting>
4520 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4521         &lt;+> (proc x -> do
4522                 symbol Plus -&lt; ()
4523                 y &lt;- term -&lt; ()
4524                 expr' -&lt; x + y)
4525         &lt;+> (proc x -> do
4526                 symbol Minus -&lt; ()
4527                 y &lt;- term -&lt; ()
4528                 expr' -&lt; x - y)
4529 </programlisting>
4530 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4531 (representing the environment input to the command
4532 and thence to its subcommands)
4533 and satisfy the corresponding naturality property
4534 <screen>
4535 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4536 </screen>
4537 at least for strict <literal>k</literal>.
4538 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4539 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4540 of the whole command,
4541 and also allows the translation to safely trim these environments.
4542 The operator must also not use any variable defined within the current
4543 arrow abstraction.
4544 </para>
4545
4546 <para>
4547 We could define our own operator
4548 <programlisting>
4549 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4550 untilA body cond = proc x ->
4551         if cond x then returnA -&lt; ()
4552         else do
4553                 body -&lt; x
4554                 untilA body cond -&lt; x
4555 </programlisting>
4556 and use it in the same way.
4557 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4558 there is also a more general syntax involving special brackets:
4559 <screen>
4560 proc x -> do
4561         y &lt;- f -&lt; x+1
4562         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4563 </screen>
4564 </para>
4565
4566 </sect2>
4567
4568 <sect2>
4569 <title>Primitive constructs</title>
4570
4571 <para>
4572 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4573 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4574 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4575 exception that occurred to the handler.
4576 Such an operator might have a type
4577 <screen>
4578 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4579 </screen>
4580 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4581 You could then use this with arrow notation by writing a command
4582 <screen>
4583 body `handleA` \ ex -> handler
4584 </screen>
4585 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4586 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4587 and the command <literal>handler</literal>,
4588 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4589 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4590 we are talking about commands, and something different is going on.
4591 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4592 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4593 In all the prior examples, this stack was empty.
4594 In the second argument to <function>handleA</function>,
4595 this stack consists of one value, the value of the exception.
4596 The command form of lambda merely gives this value a name.
4597 </para>
4598
4599 <para>
4600 More concretely,
4601 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4602 So operators like <function>handleA</function> that pass
4603 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4604 by pairing the values with the environment in this way.
4605 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4606 should have the form
4607 <screen>
4608 a (...(e,t1), ... tn) t
4609 </screen>
4610 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4611 (representing the environment)
4612 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4613 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4614 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4615 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4616 <replaceable>t</replaceable>.
4617 However the arrows involved need not be the same.
4618 Here are some more examples of suitable operators:
4619 <screen>
4620 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4621 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4622 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4623 </screen>
4624 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4625 by applying them to ordinary expressions, as in
4626 <screen>
4627 proc x -> do
4628         s &lt;- ...
4629         (|runReader (do { ... })|) s
4630 </screen>
4631 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4632 built using <function>runReader</function>.
4633 </para>
4634
4635 <para>
4636 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4637 the expression versions.
4638 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4639 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4640 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4641 though the results would be somewhat clumsy.
4642 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4643 <programlisting>
4644 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4645 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4646
4647 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4648 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4649 </programlisting>
4650 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4651 <programlisting>
4652 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4653 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4654 </programlisting>
4655 </para>
4656
4657 </sect2>
4658
4659 <sect2>
4660 <title>Differences with the paper</title>
4661
4662 <itemizedlist>
4663
4664 <listitem>
4665 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4666 translations, the implementation provides two forms
4667 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4668 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4669 </para>
4670 </listitem>
4671
4672 <listitem>
4673 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4674 a new <literal>form</literal> keyword.
4675 </para>
4676 </listitem>
4677
4678 </itemizedlist>
4679
4680 </sect2>
4681
4682 <sect2>
4683 <title>Portability</title>
4684
4685 <para>
4686 Although only GHC implements arrow notation directly,
4687 there is also a preprocessor
4688 (available from the 
4689 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4690 that translates arrow notation into Haskell 98
4691 for use with other Haskell systems.
4692 You would still want to check arrow programs with GHC;
4693 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4694 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4695 additional restrictions:
4696 <itemizedlist>
4697
4698 <listitem>
4699 <para>
4700 The module must import
4701 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4702 </para>
4703 </listitem>
4704
4705 <listitem>
4706 <para>
4707 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4708 These would have to go in separate modules.
4709 </para>
4710 </listitem>
4711
4712 <listitem>
4713 <para>
4714 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4715 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4716 </para>
4717 </listitem>
4718
4719 </itemizedlist>
4720 </para>
4721
4722 </sect2>
4723
4724 </sect1>
4725
4726 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4727
4728 <sect1 id="sec-assertions">
4729 <title>Assertions
4730 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4731 </title>
4732
4733 <para>
4734 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4735 could define a function like the following:
4736 </para>
4737
4738 <para>
4739
4740 <programlisting>
4741 assert :: Bool -> a -> a
4742 assert False x = error "assertion failed!"
4743 assert _     x = x
4744 </programlisting>
4745
4746 </para>
4747
4748 <para>
4749 which works, but gives you back a less than useful error message --
4750 an assertion failed, but which and where?
4751 </para>
4752
4753 <para>
4754 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4755 takes a descriptive string to include in the error message and
4756 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4757 the source location where <function>assert</function> was used.
4758 </para>
4759
4760 <para>
4761 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4762 use of <function>assert</function> in the user's source:
4763 </para>
4764
4765 <para>
4766
4767 <programlisting>
4768 kelvinToC :: Double -> Double
4769 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4770 </programlisting>
4771
4772 </para>
4773
4774 <para>
4775 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4776 assertion was made,
4777 </para>
4778
4779 <para>
4780
4781 <programlisting>
4782 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4783 </programlisting>
4784
4785 </para>
4786
4787 <para>
4788 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4789 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4790 can still define and use your own versions of
4791 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4792 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4793 <function>assert</function> in your code.
4794 </para>
4795
4796 <para>
4797 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4798       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4799 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4800 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4801       <option>-fignore-asserts</option>
4802       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4803       </indexterm>.</para>
4804
4805 <para>
4806 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4807 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4808 </para>
4809
4810 </sect1>
4811
4812
4813 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4814
4815   <sect1 id="pragmas">
4816     <title>Pragmas</title>
4817
4818     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4819
4820     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4821     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4822     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4823     of the generated code.</para>
4824
4825     <para>Pragmas all take the form
4826
4827 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4828
4829     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4830     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4831     type of pragma.  Case is ignored in
4832     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4833     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4834     in the following sections; any pragma encountered with an
4835     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4836     ignored.</para>
4837
4838     <sect2 id="deprecated-pragma">
4839       <title>DEPRECATED pragma</title>
4840       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4841       </indexterm>
4842
4843       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4844       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4845       forms.
4846
4847       <itemizedlist>
4848         <listitem>
4849           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4850 <programlisting>
4851    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4852      ...
4853 </programlisting>
4854           <para>When you compile any module that import
4855           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4856           message.</para>
4857         </listitem>
4858
4859         <listitem>
4860           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4861           following top-level declaration:</para>
4862 <programlisting>
4863    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4864 </programlisting>
4865           <para>When you compile any module that imports and uses any
4866           of the specified entities, GHC will print the specified
4867           message.</para>
4868           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4869           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4870           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4871           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4872           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4873           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4874           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4875         </listitem>
4876       </itemizedlist>
4877       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4878       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4879       deprecations are not reported for
4880       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4881       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4882       The latter reduces spurious complaints within a library
4883       in which one module gathers together and re-exports 
4884       the exports of several others.
4885       </para>
4886       <para>You can suppress the warnings with the flag
4887       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4888     </sect2>
4889
4890     <sect2 id="include-pragma">
4891       <title>INCLUDE pragma</title>
4892
4893       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4894         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4895         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4896         compiling via C).  For example:</para>
4897
4898 <programlisting>
4899 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4900 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4901
4902       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4903         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4904         pragma(s).</para>
4905
4906       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4907         to the <option>-#include</option> option (<xref
4908           linkend="options-C-compiler" />), because the
4909         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4910         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4911         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4912         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4913     </sect2>
4914
4915     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4916       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4917
4918       <para>These pragmas control the inlining of function
4919       definitions.</para>
4920
4921       <sect3 id="inline-pragma">
4922         <title>INLINE pragma</title>
4923         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4924
4925         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4926         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4927         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4928         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4929         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4930         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4931         export that unfolding for other modules to use.</para>
4932
4933         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4934         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4935         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4936
4937 <programlisting>
4938 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4939
4940 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4941 {-# INLINE key_function #-}
4942 #endif
4943 </programlisting>
4944
4945         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4946         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4947         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4948
4949         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4950         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4951         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4952         inline it.</para>
4953
4954         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4955         function can be put anywhere its type signature could be
4956         put.</para>
4957
4958         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4959         good idea for the
4960         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4961         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4962         a monad.  For example, in GHC's own
4963         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4964
4965 <programlisting>
4966 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4967 {-# INLINE thenUs #-}
4968 {-# INLINE returnUs #-}
4969 #endif
4970 </programlisting>
4971
4972         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4973         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4974       </sect3>
4975
4976       <sect3 id="noinline-pragma">
4977         <title>NOINLINE pragma</title>
4978         
4979         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4980         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4981
4982         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4983         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4984         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4985         you're very cautious about code size.</para>
4986
4987         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4988         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4989         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4990         inlining, so it should be used if you want your code to be
4991         portable).</para>
4992       </sect3>
4993
4994       <sect3 id="phase-control">
4995         <title>Phase control</title>
4996
4997         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4998         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4999         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
5000         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
5001         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
5002         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
5003         sequence of phase numbers for successive runs of the
5004         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
5005         phase number, thus:</para>
5006
5007         <itemizedlist>
5008           <listitem>
5009             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
5010             and all subsequent phases":
5011 <programlisting>
5012   {-# INLINE [2] f #-}
5013 </programlisting>
5014             </para>
5015           </listitem>
5016
5017           <listitem>
5018             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
5019             phases up to, but not including, Phase 3":
5020 <programlisting>
5021   {-# INLINE [~3] g #-}
5022 </programlisting>
5023             </para>
5024           </listitem>
5025
5026           <listitem>
5027             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
5028             all phases".</para>
5029           </listitem>
5030         </itemizedlist>
5031
5032         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
5033
5034         <itemizedlist>
5035           <listitem>
5036             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
5037             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
5038             there was no pragma at all":
5039 <programlisting>
5040   {-# NOINLINE [2] f #-}
5041 </programlisting>
5042             </para>
5043           </listitem>
5044
5045           <listitem>
5046             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
5047             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
5048             there was no pragma":
5049 <programlisting>
5050   {-# NOINLINE [~3] g #-}
5051 </programlisting>
5052             </para>
5053           </listitem>
5054
5055           <listitem>
5056             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
5057             inline this function".</para>
5058           </listitem>
5059         </itemizedlist>
5060
5061         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
5062         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
5063       </sect3>
5064     </sect2>
5065
5066     <sect2 id="language-pragma">
5067       <title>LANGUAGE pragma</title>
5068
5069       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5070       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
5071
5072       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
5073         It is the intention that all Haskell compilers support the
5074         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
5075         all extensions are supported by all compilers, of
5076         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
5077         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
5078
5079       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
5080
5081 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
5082
5083       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
5084         <ulink
5085           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
5086     </sect2>
5087
5088
5089     <sect2 id="line-pragma">
5090       <title>LINE pragma</title>
5091
5092       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
5093       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
5094       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
5095       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
5096       code.  It lets you specify the line number and filename of the
5097       original code; for example</para>
5098
5099 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
5100
5101       <para>if you'd generated the current file from something called
5102       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
5103       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
5104       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
5105       pragma.</para>
5106     </sect2>
5107
5108     <sect2 id="options-pragma">
5109       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
5110       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
5111       </indexterm>
5112       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
5113       </indexterm>
5114
5115       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
5116       additional options that are given to the compiler when compiling
5117       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
5118       details.</para>
5119
5120       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
5121         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
5122     </sect2>
5123
5124     <sect2 id="rules">
5125       <title>RULES pragma</title>
5126
5127       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
5128       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
5129     </sect2>
5130
5131     <sect2 id="specialize-pragma">
5132       <title>SPECIALIZE pragma</title>
5133
5134       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5135       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
5136       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5137
5138       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
5139       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
5140       specialised to particular types.  Thus, if you have an
5141       overloaded function:</para>
5142
5143 <programlisting>
5144   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
5145 </programlisting>
5146
5147       <para>If it is heavily used on lists with
5148       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
5149       follows:</para>
5150
5151 <programlisting>
5152   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
5153 </programlisting>
5154
5155       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
5156       be put anywhere its type signature could be put.</para>
5157
5158       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
5159       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
5160       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
5161       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
5162
5163       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
5164         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
5165         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
5166 <programlisting>
5167   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
5168 </programlisting>
5169       is valid if and only if the defintion
5170 <programlisting>
5171   f_spec :: &lt;type&gt;
5172   f_spec = f
5173 </programlisting>
5174       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
5175       for the original function, not its code):
5176 <programlisting>
5177   f :: Eq a => a -> b -> b
5178   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
5179
5180   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
5181   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
5182
5183   h :: Eq a => a -> a -> a
5184   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
5185 </programlisting>  
5186 The last of these examples will generate a 
5187 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
5188 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
5189 </para>
5190
5191 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
5192 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
5193 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
5194 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
5195 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
5196 example is this:
5197 <programlisting>
5198 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
5199 data Arr e where
5200   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
5201   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
5202
5203 (!:) :: Arr e -> Int -> e
5204 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
5205 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
5206 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
5207 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
5208 </programlisting>
5209 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
5210 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
5211 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
5212 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
5213 <literal>(!:)</literal>,
5214 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
5215 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
5216 unrolling of the indexing function.</para>
5217 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
5218 on an ordinarily-recursive function.</para>
5219
5220       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
5221       specialised function for a given type:
5222
5223 <programlisting>
5224 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
5225 </programlisting>
5226
5227       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
5228       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
5229
5230     </sect2>
5231
5232 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
5233 <title>SPECIALIZE instance pragma
5234 </title>
5235
5236 <para>
5237 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
5238 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
5239 Same idea, except for instance declarations.  For example:
5240
5241 <programlisting>
5242 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
5243    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
5244    ... usual stuff ...
5245  }
5246 </programlisting>
5247 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
5248 of the instance declaration.
5249 </para>
5250 <para>
5251 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
5252 of the pragma.
5253 </para>
5254
5255 </sect2>
5256
5257     <sect2 id="unpack-pragma">
5258       <title>UNPACK pragma</title>
5259
5260       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
5261       
5262       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
5263       that it should unpack the contents of a constructor field into
5264       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
5265       example:</para>
5266
5267 <programlisting>
5268 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5269            {-# UNPACK #-} !Float
5270 </programlisting>
5271
5272       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5273       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5274       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5275       floats passed to a non-strict function for example, they will
5276       have to be reboxed (this is done automatically by the
5277       compiler).</para>
5278
5279       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5280       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5281       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5282       often as possible.  For example:</para>
5283
5284 <programlisting>
5285 f :: T -&#62; Float
5286 f (T f1 f2) = f1 + f2
5287 </programlisting>
5288
5289       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5290       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5291       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5292
5293       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5294       example</para>
5295
5296 <programlisting>
5297 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5298 </programlisting>
5299
5300       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5301       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5302       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5303
5304 <programlisting>
5305 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5306 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5307 </programlisting>
5308
5309       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5310       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5311       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5312
5313       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5314       so it might be an idea to check the generated code with
5315       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5316
5317       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5318       which essentially has the effect of adding
5319       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5320       constructor field.</para>
5321     </sect2>
5322
5323 </sect1>
5324
5325 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5326
5327 <sect1 id="rewrite-rules">
5328 <title>Rewrite rules
5329
5330 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5331 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5332 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5333
5334 <para>
5335 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5336 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5337 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5338 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5339 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
5340 </para>
5341
5342 <para>
5343 Here is an example:
5344
5345 <programlisting>
5346   {-# RULES
5347         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5348   #-}
5349 </programlisting>
5350
5351 </para>
5352
5353 <sect2>
5354 <title>Syntax</title>
5355
5356 <para>
5357 From a syntactic point of view:
5358
5359 <itemizedlist>
5360 <listitem>
5361
5362 <para>
5363  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5364 </para>
5365 </listitem>
5366
5367 <listitem>
5368
5369 <para>
5370  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5371 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5372 </para>
5373 </listitem>
5374
5375 <listitem>
5376 <para>
5377 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5378 immediately after the name of the rule.  Thus:
5379 <programlisting>
5380   {-# RULES
5381         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5382   #-}
5383 </programlisting>
5384 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5385 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5386 Phase 2.
5387 </para>
5388 </listitem>
5389
5390
5391 <listitem>
5392
5393 <para>
5394  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5395 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5396 enclosing definitions.
5397 </para>
5398 </listitem>
5399
5400 <listitem>
5401
5402 <para>
5403  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5404 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5405 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5406 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5407 </para>
5408 </listitem>
5409 <listitem>
5410
5411 <para>
5412  A pattern variable may optionally have a type signature.
5413 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5414 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5415
5416 <programlisting>
5417 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5418               foldr k z (build g) = g k z
5419 </programlisting>
5420
5421 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5422
5423 </para>
5424 </listitem>
5425 <listitem>
5426
5427 <para>
5428 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5429 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5430
5431 <programlisting>
5432 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5433 "wrong2"   forall f.      f True = True
5434 </programlisting>
5435
5436 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5437 in the head.
5438 </para>
5439 </listitem>
5440 <listitem>
5441
5442 <para>
5443  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5444 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5445 </para>
5446 </listitem>
5447 <listitem>
5448
5449 <para>
5450  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5451 </para>
5452 </listitem>
5453
5454 </itemizedlist>
5455
5456 </para>
5457
5458 </sect2>
5459
5460 <sect2>
5461 <title>Semantics</title>
5462
5463 <para>
5464 From a semantic point of view:
5465
5466 <itemizedlist>
5467 <listitem>
5468
5469 <para>
5470 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5471 </para>
5472 </listitem>
5473
5474 <listitem>
5475 <para>
5476  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5477 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5478 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5479 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5480 expression by substituting for the pattern variables.
5481
5482 </para>
5483 </listitem>
5484 <listitem>
5485
5486 <para>
5487  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5488 same type.
5489
5490 </para>
5491 </listitem>
5492 <listitem>
5493
5494 <para>
5495  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5496 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5497 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5498
5499 </para>
5500 </listitem>
5501 <listitem>
5502
5503 <para>
5504  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5505 terminating.  For example:
5506
5507 <programlisting>
5508   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5509 </programlisting>
5510
5511 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5512
5513 </para>
5514 </listitem>
5515 <listitem>
5516
5517 <para>
5518  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5519
5520 </para>
5521 </listitem>
5522 <listitem>
5523 <para>
5524  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5525 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5526 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5527 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5528 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5529 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5530 </para>
5531
5532 <para>
5533 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5534 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5535 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5536 </para>
5537 </listitem>
5538 <listitem>
5539
5540 <para>
5541  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5542 For example, consider:
5543
5544 <programlisting>
5545   let s = map f
5546       t = map g
5547   in
5548   s (t xs)
5549 </programlisting>
5550
5551 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5552 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5553 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5554 not be substituted, and the rule would not fire.
5555
5556 </para>
5557 </listitem>
5558 <listitem>
5559
5560 <para>
5561  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5562 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5563 for something you can't match against it (given the simple minded
5564 matching).  So if you write the rule
5565
5566 <programlisting>
5567         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5568 </programlisting>
5569
5570 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5571 It will only match something written with explicit use of ".".
5572 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5573
5574 <programlisting>
5575 wibble f g xs
5576 </programlisting>
5577
5578 where <function>wibble</function> is defined:
5579
5580 <programlisting>
5581 wibble f g = map f . map g
5582 </programlisting>
5583
5584 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5585
5586 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5587 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5588 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5589
5590 </para>
5591 </listitem>
5592 <listitem>
5593
5594 <para>
5595  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5596 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5597 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5598 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5599 declarations.
5600 </para>
5601 </listitem>
5602
5603 </itemizedlist>
5604
5605 </para>
5606
5607 </sect2>
5608
5609 <sect2>
5610 <title>List fusion</title>
5611
5612 <para>
5613 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5614 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5615 intermediate list should be eliminated entirely.
5616 </para>
5617
5618 <para>
5619 The following are good producers:
5620
5621 <itemizedlist>
5622 <listitem>
5623
5624 <para>
5625  List comprehensions
5626 </para>
5627 </listitem>
5628 <listitem>
5629
5630 <para>
5631  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5632 </para>
5633 </listitem>
5634 <listitem>
5635
5636 <para>
5637  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5638 </para>
5639 </listitem>
5640 <listitem>
5641
5642 <para>
5643  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5644 </para>
5645 </listitem>
5646 <listitem>
5647
5648 <para>
5649  <function>++</function>
5650 </para>
5651 </listitem>
5652
5653 <listitem>
5654 <para>
5655  <function>map</function>
5656 </para>
5657 </listitem>
5658
5659 <listitem>
5660 <para>
5661  <function>filter</function>
5662 </para>
5663 </listitem>
5664 <listitem>
5665
5666 <para>
5667  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5668 </para>
5669 </listitem>
5670 <listitem>
5671
5672 <para>
5673  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5674 </para>
5675 </listitem>
5676
5677 </itemizedlist>
5678
5679 </para>
5680
5681 <para>
5682 The following are good consumers:
5683
5684 <itemizedlist>
5685 <listitem>
5686
5687 <para>
5688  List comprehensions
5689 </para>
5690 </listitem>
5691 <listitem>
5692
5693 <para>
5694  <function>array</function> (on its second argument)
5695 </para>
5696 </listitem>
5697 <listitem>
5698
5699 <para>
5700  <function>length</function>
5701 </para>
5702 </listitem>
5703 <listitem>
5704
5705 <para>
5706  <function>++</function> (on its first argument)
5707 </para>
5708 </listitem>
5709
5710 <listitem>
5711 <para>
5712  <function>foldr</function>
5713 </para>
5714 </listitem>
5715
5716 <listitem>
5717 <para>
5718  <function>map</function>
5719 </para>
5720 </listitem>
5721 <listitem>
5722
5723 <para>
5724  <function>filter</function>
5725 </para>
5726 </listitem>
5727 <listitem>
5728
5729 <para>
5730  <function>concat</function>
5731 </para>
5732 </listitem>
5733 <listitem>
5734
5735 <para>
5736  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5737 </para>
5738 </listitem>
5739 <listitem>
5740
5741 <para>
5742  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5743 will fuse with one but not the other)
5744 </para>
5745 </listitem>
5746 <listitem>
5747
5748 <para>
5749  <function>partition</function>
5750 </para>
5751 </listitem>
5752 <listitem>
5753
5754 <para>
5755  <function>head</function>
5756 </para>
5757 </listitem>
5758 <listitem>
5759
5760 <para>
5761  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5762 </para>
5763 </listitem>
5764 <listitem>
5765
5766 <para>
5767  <function>sequence&lowbar;</function>
5768 </para>
5769 </listitem>
5770 <listitem>
5771
5772 <para>
5773  <function>msum</function>
5774 </para>
5775 </listitem>
5776 <listitem>
5777
5778 <para>
5779  <function>sortBy</function>
5780 </para>
5781 </listitem>
5782
5783 </itemizedlist>
5784
5785 </para>
5786
5787  <para>
5788 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5789
5790 <programlisting>
5791 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5792 </programlisting>
5793
5794 </para>
5795
5796 <para>
5797 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5798 a lot which are not included, please tell us.
5799 </para>
5800
5801 <para>
5802 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5803 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5804 </para>
5805
5806 </sect2>
5807
5808 <sect2 id="rule-spec">
5809 <title>Specialisation
5810 </title>
5811
5812 <para>
5813 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5814 present in earlier versions of GHC.
5815 For example, suppose that:
5816
5817 <programlisting>
5818 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5819 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5820 </programlisting>
5821
5822 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5823 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5824 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5825 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5826 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5827 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5828 It used to be possible to write
5829
5830 <programlisting>
5831 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5832 </programlisting>
5833
5834 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5835
5836 <programlisting>
5837 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5838 </programlisting>
5839
5840 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5841 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5842 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5843 What is more, this rule does not need to be in the same
5844 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5845 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5846 have an original definition available to specialise).
5847 </para>
5848
5849 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5850 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5851 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5852
5853 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5854 specialisation will Win Big:
5855
5856 <programlisting>
5857 toDouble :: Real a => a -> Double
5858 toDouble = fromRational . toRational
5859
5860 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5861 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5862 </programlisting>
5863
5864 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5865 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5866 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5867 comparison.
5868 </para>
5869
5870 </sect2>
5871
5872 <sect2>
5873 <title>Controlling what's going on</title>
5874
5875 <para>
5876
5877 <itemizedlist>
5878 <listitem>
5879
5880 <para>
5881  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5882 </para>
5883 </listitem>
5884 <listitem>
5885
5886 <para>
5887  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5888 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5889 </para>
5890 </listitem>
5891 <listitem>
5892
5893 <para>
5894  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5895
5896 <programlisting>
5897         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5898         {-# INLINE build #-}
5899         build g = g (:) []
5900 </programlisting>
5901
5902 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5903 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5904 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5905 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5906
5907 </para>
5908 </listitem>
5909 <listitem>
5910
5911 <para>
5912  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5913 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5914 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5915 </para>
5916 </listitem>
5917
5918 </itemizedlist>
5919
5920 </para>
5921
5922 </sect2>
5923
5924 <sect2 id="core-pragma">
5925   <title>CORE pragma</title>
5926
5927   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5928   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5929   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5930
5931 <para>
5932   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5933   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5934   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5935   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5936   literal as an argument.  The following function definition shows an
5937   example:
5938
5939 <programlisting>
5940 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5941 </programlisting>
5942
5943   Semantically, this is equivalent to:
5944
5945 <programlisting>
5946 g x = show x
5947 </programlisting>
5948 </para>
5949
5950 <para>
5951   However, when external for is generated (via
5952   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5953   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5954   The core function declaration for <function>f</function> is:
5955 </para>
5956
5957 <programlisting>
5958   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5959                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5960     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5961         (%note "foo"
5962          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5963            {GHCziShow.ZCDShow
5964             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5965                    a ->
5966                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5967 r)
5968             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5969             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5970                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5971 r) ->
5972               tpl2})
5973         (%note "foo"
5974          eta);
5975 </programlisting>
5976
5977 <para>
5978   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5979   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5980   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5981   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5982   <varname>x</varname>).
5983 </para>
5984
5985 </sect2>
5986
5987 </sect1>
5988
5989 <sect1 id="generic-classes">
5990 <title>Generic classes</title>
5991
5992     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5993     GHC 5.02).</para>
5994
5995 <para>
5996 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5997 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5998 An example will give the idea:
5999 </para>
6000
6001 <programlisting>
6002   import Generics
6003
6004   class Bin a where
6005     toBin   :: a -> [Int]
6006     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
6007   
6008     toBin {| Unit |}    Unit      = []
6009     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
6010     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
6011     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
6012   
6013     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
6014     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
6015     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
6016     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
6017                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
6018 </programlisting>
6019 <para>
6020 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
6021 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
6022 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
6023 </para>
6024 <programlisting>
6025   data Unit    = Unit
6026   data a :+: b = Inl a | Inr b
6027   data a :*: b = a :*: b
6028 </programlisting>
6029 <para>
6030 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
6031 <programlisting>
6032   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
6033   instance Bin a => Bin [a]
6034 </programlisting>
6035 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
6036 where clause and over-ride whichever methods you please.
6037 </para>
6038
6039     <sect2>
6040       <title> Using generics </title>
6041       <para>To use generics you need to</para>
6042       <itemizedlist>
6043         <listitem>
6044           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
6045                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
6046                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
6047                 available.  </para>
6048         </listitem>
6049         <listitem>
6050           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
6051           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
6052           scope the data types <literal>Unit</literal>,
6053           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
6054           don't need this import if you don't mention these types
6055           explicitly; for example, if you are simply giving instance
6056           declarations.)</para>
6057         </listitem>
6058       </itemizedlist>
6059     </sect2>
6060
6061 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
6062 <para>
6063 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
6064 can be written infix (indeed, you can now use
6065 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
6066 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
6067 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
6068 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
6069 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
6070 anticipate wanting).
6071 </para>
6072 </sect2>
6073
6074 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
6075 <para>
6076 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
6077 is one that is defined using type patterns as above.
6078 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
6079 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
6080 generic default method.
6081 </para>
6082
6083 <para>
6084 Restrictions:
6085 <itemizedlist>
6086 <listitem>
6087 <para>
6088 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
6089 field labels.
6090 </para>
6091 </listitem>
6092
6093 <listitem>
6094 <para>
6095 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
6096 multi-parameter class.
6097 </para>
6098 </listitem>
6099
6100 <listitem>
6101 <para>
6102 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
6103 without.  So this is illegal:
6104 <programlisting>
6105   class Foo a where
6106     op :: a -> (a, Bool)
6107     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
6108     op x               = (x,    False)
6109 </programlisting>
6110 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
6111 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
6112 </para>
6113 </listitem>
6114
6115 <listitem>
6116 <para>
6117 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
6118 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:
6119 <programlisting>
6120   class Foo a where
6121     op :: a -> Bool
6122     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
6123     ...
6124 </programlisting>
6125 </para>
6126 </listitem>
6127
6128 <listitem>
6129 <para>
6130 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
6131 <programlisting>
6132        a :+: b
6133        a :*: b
6134        Unit
6135 </programlisting>
6136 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
6137 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
6138 must use the same type variables.  So this is illegal:
6139 <programlisting>
6140   class Foo a where
6141     op :: a -> Bool
6142     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
6143     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
6144 </programlisting>
6145 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
6146 So this too is illegal:
6147 <programlisting>
6148   class Foo a where
6149     op1 :: a -> Bool
6150     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
6151
6152     op2 :: a -> Bool
6153     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
6154 </programlisting>
6155 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
6156 into a single generic instance declaration.)
6157 </para>
6158 </listitem>
6159
6160 <listitem>
6161 <para>
6162 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
6163 </para>
6164 </listitem>
6165
6166 <listitem>
6167 <para>
6168 The type for a generic method can be built only from:
6169   <itemizedlist>
6170   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
6171   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
6172   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
6173   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
6174   </itemizedlist>
6175 Here are some example type signatures for generic methods:
6176 <programlisting>
6177     op1 :: a -> Bool
6178     op2 :: Bool -> (a,Bool)
6179     op3 :: [Int] -> a -> a
6180     op4 :: [a] -> Bool
6181 </programlisting>
6182 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
6183 inside a list.  
6184 </para>
6185 <para>
6186 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
6187 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
6188 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
6189 to the ones that are allowed.</para>
6190 </listitem>
6191
6192 <listitem>
6193 <para>
6194 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
6195 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
6196 do so if
6197   <itemizedlist>
6198   <listitem>
6199   <para>
6200   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
6201   </para>
6202   </listitem>
6203   <listitem>
6204   <para>
6205   No constructor of the instance type has unboxed fields.
6206   </para>
6207   </listitem>
6208   </itemizedlist>
6209 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
6210 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
6211 provided you give explicit code to override any generic default methods.
6212 </para>
6213 </listitem>
6214
6215 </itemizedlist>
6216 </para>
6217
6218 <para>
6219 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
6220 what the compiler does with generic declarations.
6221 </para>
6222
6223 </sect2>
6224
6225 <sect2> <title> Another example </title>
6226 <para>
6227 Just to finish with, here's another example I rather like:
6228 <programlisting>
6229   class Tag a where
6230     nCons :: a -> Int
6231     nCons {| Unit |}    _ = 1
6232     nCons {| a :*: b |} _ = 1
6233     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
6234   
6235     tag :: a -> Int
6236     tag {| Unit |}    _       = 1
6237     tag {| a :*: b |} _       = 1   
6238     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
6239     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
6240 </programlisting>
6241 </para>
6242 </sect2>
6243 </sect1>
6244
6245
6246
6247 <!-- Emacs stuff:
6248      ;;; Local Variables: ***
6249      ;;; mode: xml ***
6250      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
6251      ;;; End: ***
6252  -->
6253