48367490a297a6fab6d3ba0105a6b6e5967b6219
[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:</para>
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>Integer and fractional literals mean
833                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
834                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
835                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
836                 patterns. </para>
837                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
838                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
839               </listitem>
840
841               <listitem>
842                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
843                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
844                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
845               </listitem>
846
847               <listitem>
848                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
849                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
850                 but the necessary subtraction uses whatever
851                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
852                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
853               </listitem>
854
855               <listitem>
856           <para>"Do" notation is translated using whatever
857               functions <literal>(>>=)</literal>,
858               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
859               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
860               versions).  List comprehensions, and parallel array
861               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Similarly recursive do notation (see
865                 <xref linkend="mdo-notation"/>) uses whatever
866                 <literal>mfix</literal> function is in scope, and 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.</para>
872               </listitem>
873             </itemizedlist>
874
875              <para>The functions with these names that GHC finds in scope
876              must have types matching those of the originals, namely:
877              <screen>
878                 fromInteger  :: Integer  -> N
879                 fromRational :: Rational -> N
880                 negate       :: N -> N
881                 (-)          :: N -> N -> N
882                 (>>=)        :: forall a b. M a -> (a -> M b) -> M b
883                 (>>)         :: forall a b. M a -> M b -> M b
884                 return       :: forall a.   a      -> M a
885                 fail         :: forall a.   String -> M a
886              </screen>
887              (Here <literal>N</literal> may be any type,
888              and <literal>M</literal> any type constructor.)</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 and classes</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors and classes to be operators, and to be written infix, very much 
932 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   Back-quotes work
959   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
960   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
964   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
965   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
966 <screen>
967   infixl 7 T, :*:
968 </screen>
969   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
970   and similarly for <literal>:*:</literal>.
971   <literal>Int `a` Bool</literal>.
972   </para></listitem>
973 <listitem><para>
974   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
975   </para></listitem>
976 <listitem><para>
977   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
978   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
979   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
980   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
981   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
982   lists.  So for now we just exclude them.
983   </para></listitem>
984
985 </itemizedlist>
986 </para>
987 </sect3>
988
989 <sect3 id="type-synonyms">
990 <title>Liberalised type synonyms</title>
991
992 <para>
993 Type synonyms are like macros at the type level, and
994 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
995 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
996 <itemizedlist>
997 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
998 in a type synonym, thus:
999 <programlisting>
1000   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1001
1002   f :: Discard a
1003   f x y = (x, show y)
1004
1005   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1006   g f = f Int True
1007 </programlisting>
1008 </para>
1009 </listitem>
1010
1011 <listitem><para>
1012 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1013 <programlisting>
1014   type Pr = (# Int, Int #)
1015
1016   h :: Int -> Pr
1017   h x = (# x, x #)
1018 </programlisting>
1019 </para></listitem>
1020
1021 <listitem><para>
1022 You can apply a type synonym to a forall type:
1023 <programlisting>
1024   type Foo a = a -> a -> Bool
1025  
1026   f :: Foo (forall b. b->b)
1027 </programlisting>
1028 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1029 <programlisting>
1030   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1031 </programlisting>
1032 </para></listitem>
1033
1034 <listitem><para>
1035 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1036 <programlisting>
1037   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1038   type Id x = x
1039   
1040   foo :: Generic Id []
1041 </programlisting>
1042 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1043 <programlisting>
1044   foo :: forall x. x -> [x]
1045 </programlisting>
1046 </para></listitem>
1047
1048 </itemizedlist>
1049 </para>
1050
1051 <para>
1052 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1053 could be changed.)
1054 </para>
1055 <para>
1056 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1057 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1058 <itemizedlist>
1059 <listitem><para>
1060 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1061 </para></listitem>
1062 <listitem><para>
1063 Unboxed tuple on left of an arrow.
1064 </para></listitem>
1065 <listitem><para>
1066 Partially-applied type synonym.
1067 </para></listitem>
1068 </itemizedlist>
1069 So, for example,
1070 this will be rejected:
1071 <programlisting>
1072   type Pr = (# Int, Int #)
1073
1074   h :: Pr -> Int
1075   h x = ...
1076 </programlisting>
1077 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1078 </para>
1079 </sect3>
1080
1081
1082 <sect3 id="existential-quantification">
1083 <title>Existentially quantified data constructors
1084 </title>
1085
1086 <para>
1087 The idea of using existential quantification in data type declarations
1088 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1089 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1090 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1091 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1092 </para>
1093
1094 <para>
1095
1096 <programlisting>
1097   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1098            | Nil
1099 </programlisting>
1100
1101 </para>
1102
1103 <para>
1104 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1105 </para>
1106
1107 <para>
1108
1109 <programlisting>
1110   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1111   Nil   :: Foo
1112 </programlisting>
1113
1114 </para>
1115
1116 <para>
1117 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1118 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1119 For example, the following expression is fine:
1120 </para>
1121
1122 <para>
1123
1124 <programlisting>
1125   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1126 </programlisting>
1127
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1132 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1133 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1134 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1135 </para>
1136
1137 <para>
1138 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1139 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1140 </para>
1141
1142 <para>
1143
1144 <programlisting>
1145   f (MkFoo val fn) = ???
1146 </programlisting>
1147
1148 </para>
1149
1150 <para>
1151 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1152 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1153 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1154 </para>
1155
1156 <para>
1157
1158 <programlisting>
1159   f :: Foo -> Bool
1160   f (MkFoo val fn) = fn val
1161 </programlisting>
1162
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166 What this allows us to do is to package heterogenous values
1167 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1168 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1169 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1170 </para>
1171
1172 <sect4 id="existential">
1173 <title>Why existential?
1174 </title>
1175
1176 <para>
1177 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1178 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182
1183 <programlisting>
1184   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1185 </programlisting>
1186
1187 </para>
1188
1189 <para>
1190 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1191 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1192 adding a new existential quantification construct.
1193 </para>
1194
1195 </sect4>
1196
1197 <sect4>
1198 <title>Type classes</title>
1199
1200 <para>
1201 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1202 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1203 </para>
1204
1205 <para>
1206
1207 <programlisting>
1208 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1209          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1210 </programlisting>
1211
1212 </para>
1213
1214 <para>
1215 The two constructors have the types you'd expect:
1216 </para>
1217
1218 <para>
1219
1220 <programlisting>
1221 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1222 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1223 </programlisting>
1224
1225 </para>
1226
1227 <para>
1228 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1229 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1230 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1231 So this program is legal:
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235
1236 <programlisting>
1237   f :: Baz -> String
1238   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1239                | otherwise = "No"
1240   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1241 </programlisting>
1242
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1247 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1248 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1249 extract it on pattern matching.
1250 </para>
1251
1252 <para>
1253 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1254 universal quantification earlier.
1255 </para>
1256
1257 </sect4>
1258
1259 <sect4>
1260 <title>Restrictions</title>
1261
1262 <para>
1263 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1264 constructors can be use.
1265 </para>
1266
1267 <para>
1268
1269 <itemizedlist>
1270 <listitem>
1271
1272 <para>
1273  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1274 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1275 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1276 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1277
1278
1279 <programlisting>
1280 f1 (MkFoo a f) = a
1281 </programlisting>
1282
1283
1284 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1285 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1286 ask what type <function>f1</function> has:
1287
1288
1289 <programlisting>
1290   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1291 </programlisting>
1292
1293
1294 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1295 this:
1296
1297
1298 <programlisting>
1299   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1300 </programlisting>
1301
1302
1303 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1304
1305
1306 <programlisting>
1307   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1308 </programlisting>
1309
1310
1311 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1312 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1313 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1314
1315
1316 </para>
1317 </listitem>
1318 <listitem>
1319
1320 <para>
1321 You can't pattern-match on an existentially quantified
1322 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1323 bindings. So this is illegal:
1324
1325
1326 <programlisting>
1327   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1328 </programlisting>
1329
1330 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1331
1332 <programlisting>
1333   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1334 </programlisting>
1335
1336 In general, you can only pattern-match
1337 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1338 in the patterns of a function definition.
1339
1340 The reason for this restriction is really an implementation one.
1341 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1342 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1343 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1344 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1345 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1346 annoying it is.
1347
1348 </para>
1349 </listitem>
1350 <listitem>
1351
1352 <para>
1353 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1354 declarations.  So this is illegal:
1355
1356
1357 <programlisting>
1358   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1359 </programlisting>
1360
1361
1362 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1363 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1364 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1365 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1366 You can get just the same efficiency and effect by using
1367 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1368 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1369 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1370 because the <literal>data</literal> version does carry an
1371 implementation cost, but single-field existentially quantified
1372 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1373 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1374 are convincing reasons to change it.
1375
1376
1377 </para>
1378 </listitem>
1379 <listitem>
1380
1381 <para>
1382  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1383 data type with existentially quantified data constructors.
1384
1385 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1386
1387 <programlisting>
1388 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1389 </programlisting>
1390
1391 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1392 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1393
1394 <programlisting>
1395 instance Eq T where
1396   (MkT a) == (MkT b) = ???
1397 </programlisting>
1398
1399 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1400 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1401 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1402 declarations.  Define your own instances!
1403 </para>
1404 </listitem>
1405
1406 </itemizedlist>
1407
1408 </para>
1409
1410 </sect4>
1411 </sect3>
1412
1413 </sect2>
1414
1415
1416
1417 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1418 <title>Class declarations</title>
1419
1420 <para>
1421 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1422 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1423 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1424 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1425 Jones, Erik Meijer).
1426 </para>
1427 <para>
1428 There are the following constraints on class declarations:
1429 <orderedlist>
1430 <listitem>
1431
1432 <para>
1433  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1434
1435
1436 <programlisting>
1437   class Collection c a where
1438     union :: c a -> c a -> c a
1439     ...etc.
1440 </programlisting>
1441
1442
1443
1444 </para>
1445 </listitem>
1446 <listitem>
1447
1448 <para>
1449  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1450 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1451 this is OK:
1452
1453
1454 <programlisting>
1455   class C a where {
1456     op :: D b => a -> b -> b
1457   }
1458
1459   class C a => D a where { ... }
1460 </programlisting>
1461
1462
1463 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1464 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1465 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1466
1467 </para>
1468 </listitem>
1469 <listitem>
1470
1471 <para>
1472  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1473 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1474 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1475
1476
1477 <programlisting>
1478   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1479     ...
1480
1481   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1482     lift :: m a -> (t m) a
1483 </programlisting>
1484
1485
1486 </para>
1487 </listitem>
1488
1489 <listitem>
1490
1491 <para>
1492  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1493 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1494 from the free variables of each method type
1495 </emphasis>.  For example:
1496
1497
1498 <programlisting>
1499   class Coll s a where
1500     empty  :: s
1501     insert :: s -> a -> s
1502 </programlisting>
1503
1504
1505 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1506 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1507 types, and has the same motivation.
1508
1509 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1510 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1511
1512
1513 <programlisting>
1514   class Coll s a where
1515     empty  :: s a
1516     insert :: s a -> a -> s a
1517 </programlisting>
1518
1519
1520 which makes the connection between the type of a collection of
1521 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1522 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1523 class like this:
1524
1525
1526 <programlisting>
1527   class CollE s where
1528     empty  :: s
1529
1530   class CollE s => Coll s a where
1531     insert :: s -> a -> s
1532 </programlisting>
1533
1534
1535 </para>
1536 </listitem>
1537
1538 </orderedlist>
1539 </para>
1540
1541 <sect3 id="class-method-types">
1542 <title>Class method types</title>
1543 <para>
1544 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1545 class type variable, thus:
1546 <programlisting>
1547   class Seq s a where
1548     fromList :: [a] -> s a
1549     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1550 </programlisting>
1551 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1552 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1553 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1554 </para>
1555 <para>
1556 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1557 </para>
1558
1559 </sect3>
1560
1561 </sect2>
1562
1563 <sect2 id="type-restrictions">
1564 <title>Type signatures</title>
1565
1566 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1567 <para>
1568 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1569 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1570 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1571 these type signatures are perfectly OK
1572 <programlisting>
1573   g :: Eq [a] => ...
1574   g :: Ord (T a ()) => ...
1575 </programlisting>
1576 </para>
1577 <para>
1578 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1579 Consider the type:
1580
1581 <programlisting>
1582   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1583 </programlisting>
1584
1585 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1586 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1587 explicit source-language type signature are universally quantified,
1588 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1589 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1590 </para>
1591
1592 <para>
1593
1594 <orderedlist>
1595 <listitem>
1596
1597 <para>
1598  <emphasis>Each universally quantified type variable
1599 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1600
1601 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1602 in the same constraint as either a type variable free in in
1603 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1604 A value with a type that does not obey 
1605 this reachability restriction cannot be used without introducing
1606 ambiguity; that is why the type is rejected.
1607 Here, for example, is an illegal type:
1608
1609
1610 <programlisting>
1611   forall a. Eq a => Int
1612 </programlisting>
1613
1614
1615 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1616 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1617 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1618 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1619 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1620 get any more information about <literal>tv</literal>.
1621 </para>
1622 <para>
1623 Note
1624 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1625 functionally dependent on a type variable free in
1626 <literal>type</literal> (see <xref
1627 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1628 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1629 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1630 For example, consider:
1631 <programlisting>
1632   class C a b | a -> b where ...
1633   class C a b => D a b where ...
1634   f :: forall a b. D a b => a -> a
1635 </programlisting>
1636 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1637 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1638 </para>
1639 </listitem>
1640 <listitem>
1641
1642 <para>
1643  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1644 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1645
1646 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1647 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1648
1649
1650 <programlisting>
1651   forall a. C a b => burble
1652 </programlisting>
1653
1654
1655 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1656 mention <literal>a</literal>:
1657
1658
1659 <programlisting>
1660   forall a. Eq b => burble
1661 </programlisting>
1662
1663
1664 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1665 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1666 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1667 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1668 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1669 territory free in case we need it later.
1670
1671 </para>
1672 </listitem>
1673
1674 </orderedlist>
1675
1676 </para>
1677 </sect3>
1678
1679 <sect3 id="hoist">
1680 <title>For-all hoisting</title>
1681 <para>
1682 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1683 end of an arrow, thus:
1684 <programlisting>
1685   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1686
1687   g :: Int -> Discard Int
1688   g x y z = x+y
1689 </programlisting>
1690 Simply expanding the type synonym would give
1691 <programlisting>
1692   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1693 </programlisting>
1694 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1695 <programlisting>
1696   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1697 </programlisting>
1698 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1699 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1700 performs the transformation:</emphasis>
1701 <programlisting>
1702   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1703 ==>
1704   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1705 </programlisting>
1706 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1707 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1708 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1709 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1710 <programlisting>
1711   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1712 </programlisting>
1713 </para>
1714 <para>
1715 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1716 example:
1717 <programlisting>
1718   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1719   g :: Foo (Foo Int)
1720 </programlisting>
1721 means
1722 <programlisting>
1723   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1724 </programlisting>
1725 </para>
1726 </sect3>
1727
1728
1729 </sect2>
1730
1731 <sect2 id="instance-decls">
1732 <title>Instance declarations</title>
1733
1734 <sect3 id="instance-overlap">
1735 <title>Overlapping instances</title>
1736 <para>
1737 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1738 declaration
1739 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1740 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1741 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1742 </primary></indexterm> 
1743 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1744 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1745 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1746 <para>
1747 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1748 it tries to match every instance declaration against the
1749 constraint,
1750 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1751 these declarations:
1752 <programlisting>
1753   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1754   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1755   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1756   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1757 </programlisting>
1758 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1759 no account of the context of the instance declaration
1760 (<literal>context1</literal> etc).
1761 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1762 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1763 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1764 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1765 particular constraint matches more than one.
1766 </para>
1767
1768 <para>
1769 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1770 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1771 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1772 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1773 most-specific match, the program is rejected.
1774 </para>
1775 <para>
1776 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1777 <programlisting>
1778   f :: [b] -> [b]
1779   f x = ...
1780 </programlisting>
1781 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1782 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1783 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1784 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1785 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1786 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1787 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1788 the problem of subsequent instantiations.
1789 </para>
1790 <para>
1791 Because overlaps are checked and reported lazily, as described above, you need
1792 the <option>-fallow-overlapping-instances</option> in the module that <emphasis>calls</emphasis> 
1793 the overloaded function, rather than in the module that <emphasis>defines</emphasis> it.</para>
1794
1795 </sect3>
1796
1797 <sect3>
1798 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1799
1800 <para>
1801 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1802 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1803 As always, using a type synonym is just shorthand for
1804 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1805
1806
1807 <programlisting>
1808   type Point = (Int,Int)
1809   instance C Point   where ...
1810   instance C [Point] where ...
1811 </programlisting>
1812
1813
1814 is legal.  However, if you added
1815
1816
1817 <programlisting>
1818   instance C (Int,Int) where ...
1819 </programlisting>
1820
1821
1822 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1823 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1824 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1825
1826
1827 <programlisting>
1828   type P a = [[a]]
1829   instance Monad P where ...
1830 </programlisting>
1831
1832
1833 This design decision is independent of all the others, and easily
1834 reversed, but it makes sense to me.
1835
1836 </para>
1837 </sect3>
1838
1839 <sect3 id="undecidable-instances">
1840 <title>Undecidable instances</title>
1841
1842 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1843 <orderedlist>
1844 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1845 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1846 For example, these are OK:
1847
1848 <programlisting>
1849   instance C Int a where ...
1850
1851   instance D (Int, Int) where ...
1852
1853   instance E [[a]] where ...
1854 </programlisting>
1855 but this is not:
1856 <programlisting>
1857   instance F a where ...
1858 </programlisting>
1859 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1860 For example, this is OK:
1861 <programlisting>
1862   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1863 </programlisting>
1864 </para>
1865 </listitem>
1866
1867
1868 <listitem>
1869 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1870 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1871 Thus
1872 <programlisting>
1873 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1874 </programlisting>
1875 is OK, but
1876 <programlisting>
1877 instance C Int b => Foo b where ...
1878 </programlisting>
1879 is not OK.
1880 </para>
1881 </listitem>
1882 </orderedlist>
1883 These restrictions ensure that 
1884 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1885 constructor.  For example, the following would make the type checker
1886 loop if it wasn't excluded:
1887 <programlisting>
1888   instance C a => C a where ...
1889 </programlisting>
1890 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1891 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1892 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1893 something more specific does not:
1894
1895
1896 <programlisting>
1897   instance C a where
1898     op = ... -- Default
1899 </programlisting>
1900
1901
1902 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1903 effect of a "class synonym":
1904
1905
1906 <programlisting>
1907   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1908
1909   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1910 </programlisting>
1911
1912
1913 This allows you to write shorter signatures:
1914
1915
1916 <programlisting>
1917   f :: C a => ...
1918 </programlisting>
1919
1920
1921 instead of
1922
1923
1924 <programlisting>
1925   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1926 </programlisting>
1927
1928
1929 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1930 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1931 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1932 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1933 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1934 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1935 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1936 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1937 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1938 </para>
1939 <para>
1940 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1941 allowing these idioms interesting idioms.  
1942 </para>
1943 </sect3>
1944
1945
1946 </sect2>
1947
1948 <sect2 id="implicit-parameters">
1949 <title>Implicit parameters</title>
1950
1951 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
1952 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1953 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1954 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1955 Boston, Jan 2000.
1956 </para>
1957
1958 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1959 due to Jeff Lewis.)</para>
1960
1961 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1962 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1963
1964 <para>
1965 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1966 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1967 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1968 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1969 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1970 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1971 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1972 only support static scoping of variables.
1973 </para>
1974 <para>
1975 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1976 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1977 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1978 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1979 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1980 of type <literal>t'</literal>". For
1981 example, the following expresses the type of a sort function,
1982 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1983 <programlisting>
1984   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1985 </programlisting>
1986 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1987 </para>
1988 <para>
1989 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1990 where <literal>x</literal> is
1991 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1992 Use of this construct also introduces a new
1993 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1994 For example, the following definition
1995 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1996 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1997 <programlisting>
1998   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1999
2000   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2001   sort    = sortBy ?cmp
2002 </programlisting>
2003 </para>
2004
2005 <sect3>
2006 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2007 <para>
2008 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2009 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2010 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2011 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2012 to pick out the least value in a list:
2013 <programlisting>
2014   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2015   least xs = fst (sort xs)
2016 </programlisting>
2017 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2018 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2019 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2020 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2021 propagate them.
2022 </para>
2023 <para>
2024 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2025 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2026 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2027 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2028 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2029 class constraints.
2030 </para>
2031
2032 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2033 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2034 <programlisting>
2035   class (?x::Int) => C a where ...
2036   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2037 </programlisting>
2038 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2039 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2040 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2041 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2042 <para>
2043 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2044 <programlisting>
2045    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2046    f n = n + length ?x
2047
2048    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2049    g s = show (read s)
2050 </programlisting>
2051 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2052 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2053 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2054 </para>
2055 </sect3>
2056
2057 <sect3>
2058 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2059
2060 <para>
2061 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2062 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2063 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2064 <literal>cmp</literal>.
2065 <programlisting>
2066   min :: [a] -> a
2067   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2068 </programlisting>
2069 </para>
2070 <para>
2071 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2072 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2073 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2074 or a <literal>where</literal> clause.
2075 Note the following points:
2076 <itemizedlist>
2077 <listitem><para>
2078 An implicit-parameter binding group must be a
2079 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2080 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2081 neither polymorphic or recursive.  
2082 </para></listitem>
2083 <listitem><para>
2084 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2085 single <literal>let</literal>
2086 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2087 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2088 </para></listitem>
2089
2090 <listitem><para>
2091 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2092 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2093 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2094 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2095 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2096 the meaning of the program.
2097 For example, consider:
2098 <programlisting>
2099   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2100 </programlisting>
2101 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2102 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2103 <programlisting>
2104   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2105 </programlisting>
2106 </para></listitem>
2107 </itemizedlist>
2108 </para>
2109
2110 </sect3>
2111
2112 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2113
2114 <para>
2115 Consider these two definitions:
2116 <programlisting>
2117   len1 :: [a] -> Int
2118   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2119
2120   len_acc1 [] = ?acc
2121   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2122
2123   ------------
2124
2125   len2 :: [a] -> Int
2126   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2127
2128   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2129   len_acc2 [] = ?acc
2130   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2131 </programlisting>
2132 The only difference between the two groups is that in the second group
2133 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2134 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2135 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2136 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2137 has a type signature, the recursive call is made to the
2138 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2139 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2140 <programlisting>
2141   Prog> len1 "hello"
2142   0
2143   Prog> len2 "hello"
2144   5
2145 </programlisting>
2146 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2147 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2148 </para>
2149 </sect3>
2150
2151 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2152
2153 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2154 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2155 <programlisting>
2156  f :: Int -> Int
2157   f v = let ?x = 0     in
2158         let y = ?x + v in
2159         let ?x = 5     in
2160         y
2161 </programlisting>
2162 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2163 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2164 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2165 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2166 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2167 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2168 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2169 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2170 <literal>14</literal>.
2171 </para>
2172 </sect3>
2173 </sect2>
2174
2175 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2176 <title>Linear implicit parameters</title>
2177 <para>
2178 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2179 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2180 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2181 </para>
2182 <itemizedlist>
2183 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2184 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2185 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2186 </itemizedlist>
2187
2188 <para>
2189 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2190 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2191 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2192 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2193 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2194 </para>
2195 <para>
2196 For example:
2197 <programlisting>
2198     import GHC.Exts( Splittable )
2199
2200     data NameSupply = ...
2201     
2202     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2203     newName :: NameSupply -> Name
2204
2205     instance Splittable NameSupply where
2206         split = splitNS
2207
2208
2209     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2210     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2211                     where
2212                       x'   = newName %ns
2213                       env' = extend env x x'
2214     ...more equations for f...
2215 </programlisting>
2216 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2217 <itemizedlist>
2218 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2219 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2220 </itemizedlist>
2221 </para>
2222 <para>
2223 So the translation done by the type checker makes
2224 the parameter explicit:
2225 <programlisting>
2226     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2227     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2228                        where
2229                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2230                          x' = newName ns2
2231                          env = extend env x x'
2232 </programlisting>
2233 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2234 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2235 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2236 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2237 <programlisting>
2238         class Splittable a where
2239           split :: a -> (a,a)
2240 </programlisting>
2241 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2242 split for name supplies.  But we can simply write
2243 <programlisting>
2244         g x = (x, %ns, %ns)
2245 </programlisting>
2246 and GHC will infer
2247 <programlisting>
2248         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2249 </programlisting>
2250 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2251 <literal>GHC.Exts</literal>.
2252 </para>
2253 <para>
2254 Other points:
2255 <itemizedlist>
2256 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2257 are entirely distinct implicit parameters: you 
2258   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2259 </listitem>
2260
2261 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2262
2263 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2264   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2265 </itemizedlist>
2266 </para>
2267
2268 <sect3><title>Warnings</title>
2269
2270 <para>
2271 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2272 Consider the example above:
2273 <programlisting>
2274     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2275     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2276                     where
2277                       x'   = newName %ns
2278                       env' = extend env x x'
2279 </programlisting>
2280 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2281 usually a harmless thing to do, we get:
2282 <programlisting>
2283     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2284     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2285                     where
2286                       env' = extend env x (newName %ns)
2287 </programlisting>
2288 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2289 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2290 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2291 the beta rule.
2292 </para>
2293 <para>
2294 Well, this is an experimental change.  With implicit
2295 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2296 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2297 Haskell programs without knowing their typing.
2298 </para>
2299
2300 </sect3>
2301
2302 <sect3><title>Recursive functions</title>
2303 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2304 Consider
2305 <programlisting>
2306         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2307         foo 0 = []
2308         foo n = %x : foo (n-1)
2309 </programlisting>
2310 where T is some type in class Splittable.</para>
2311 <para>
2312 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2313 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2314 </para><para>
2315 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2316 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2317 translated term, where the implicit param is made explicit:
2318 <programlisting>
2319         foo x 0 = []
2320         foo x n = let (x1,x2) = split x
2321                   in x1 : foo x2 (n-1)
2322 </programlisting>
2323 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2324 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2325 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2326 work.  So the translation becomes
2327 <programlisting>
2328         foo x = let
2329                   foom 0 = []
2330                   foom n = x : foom (n-1)
2331                 in
2332                 foom
2333 </programlisting>
2334 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2335 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2336 Yikes!
2337 </para><para>
2338 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2339 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2340 </para>
2341 </sect3>
2342
2343 </sect2>
2344
2345 <sect2 id="functional-dependencies">
2346 <title>Functional dependencies
2347 </title>
2348
2349 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2350 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2351 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2352 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2353 .
2354 </para>
2355 <para>
2356 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2357 class declaration;  e.g. 
2358 <programlisting>
2359   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2360
2361   class Foo a b c | a b -> c where ...
2362 </programlisting>
2363 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2364 </para>
2365 </sect2>
2366
2367
2368
2369 <sect2 id="sec-kinding">
2370 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2371
2372 <para>
2373 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2374 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2375 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2376 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2377 John Hughes had to define the data type:
2378 <screen>
2379      data Set cxt a = Set [a]
2380                     | Unused (cxt a -> ())
2381 </screen>
2382 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2383 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2384 </para>
2385 <para>
2386 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2387 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2388 <itemizedlist>
2389 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2390 <screen>
2391   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2392 </screen></para></listitem>
2393 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2394 <screen>
2395   type T (f :: * -> *) = f Int
2396 </screen></para></listitem>
2397 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2398 <screen>
2399   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2400 </screen></para></listitem>
2401 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2402 <screen>
2403   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2404 </screen></para></listitem>
2405 </itemizedlist>
2406 </para>
2407
2408 <para>
2409 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2410 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2411 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2412 single lexeme in Haskell.
2413 </para>
2414
2415 <para>
2416 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2417 as well.  Thus:
2418 <screen>
2419    f :: (Int :: *) -> Int
2420    g :: forall a. a -> (a :: *)
2421 </screen>
2422 The syntax is
2423 <screen>
2424    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2425 </screen>
2426 The parentheses are required.
2427 </para>
2428 </sect2>
2429
2430
2431 <sect2 id="universal-quantification">
2432 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2433 </title>
2434
2435 <para>
2436 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2437 allows us to say exactly what this means.  For example:
2438 </para>
2439 <para>
2440 <programlisting>
2441         g :: b -> b
2442 </programlisting>
2443 means this:
2444 <programlisting>
2445         g :: forall b. (b -> b)
2446 </programlisting>
2447 The two are treated identically.
2448 </para>
2449
2450 <para>
2451 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2452 explicit universal quantification in
2453 types. 
2454 For example, all the following types are legal:
2455 <programlisting>
2456     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2457     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2458
2459     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2460     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2461
2462     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2463 </programlisting>
2464 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2465 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2466 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2467 is implicitly added by Haskell.
2468 </para>
2469 <para>
2470 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2471 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2472 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2473 </para>
2474 <para>
2475 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2476 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2477 </para>
2478 <para>
2479 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2480 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2481 that restriction has now been lifted.)
2482 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2483 including an operational type class context, is legal:
2484 <itemizedlist>
2485 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2486 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2487 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2488 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2489 field type signatures.</para> </listitem>
2490 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2491 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2492 </itemizedlist>
2493 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2494 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2495 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2496 <programlisting>
2497     x1 :: [forall a. a->a]
2498     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2499     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2500 </programlisting>
2501 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2502 a type variable any more!
2503 </para>
2504
2505
2506 <sect3 id="univ">
2507 <title>Examples
2508 </title>
2509
2510 <para>
2511 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2512 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2513 </para>
2514
2515 <para>
2516
2517 <programlisting>
2518 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2519
2520 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2521                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2522                         }
2523
2524 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2525 </programlisting>
2526
2527 </para>
2528
2529 <para>
2530 The constructors have rank-2 types:
2531 </para>
2532
2533 <para>
2534
2535 <programlisting>
2536 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2537 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2538                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2539                   -> MonadT m
2540 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2541 </programlisting>
2542
2543 </para>
2544
2545 <para>
2546 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2547 explicit context.  For example in the first argument of the
2548 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2549 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2550 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2551 mentioned in the type quantified over.
2552 </para>
2553
2554 <para>
2555 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2556 types too.  So if you write this:
2557
2558 <programlisting>
2559   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2560 </programlisting>
2561
2562 it's just as if you had written this:
2563
2564 <programlisting>
2565   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2566 </programlisting>
2567
2568 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2569 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2570 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2571 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2572 </para>
2573
2574 <para>
2575 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2576 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2577 </para>
2578
2579 <para>
2580
2581 <programlisting>
2582     a1 :: T Int
2583     a1 = T1 (\xy->x) 3
2584     
2585     a2, a3 :: Swizzle
2586     a2 = MkSwizzle sort
2587     a3 = MkSwizzle reverse
2588     
2589     a4 :: MonadT Maybe
2590     a4 = let r x = Just x
2591              b m k = case m of
2592                        Just y -> k y
2593                        Nothing -> Nothing
2594          in
2595          MkMonad r b
2596
2597     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2598     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2599 </programlisting>
2600
2601 </para>
2602
2603 <para>
2604 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2605 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2606 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2607 </para>
2608
2609 <para>
2610 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2611 polymorphic types.  For example:
2612 </para>
2613
2614 <para>
2615
2616 <programlisting>
2617     f :: T a -> a -> (a, Char)
2618     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2619
2620     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2621     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2622
2623     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2624     h m [] = return m []
2625     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2626                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2627                  return m (y:ys)
2628 </programlisting>
2629
2630 </para>
2631
2632 <para>
2633 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2634 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2635 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2636 matching.
2637 </para>
2638 </sect3>
2639
2640 <sect3>
2641 <title>Type inference</title>
2642
2643 <para>
2644 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2645 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2646 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2647 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2648 </para>
2649 <para>
2650 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2651 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2652 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2653 </para>
2654 <para>
2655 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2656 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2657 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2658 <programlisting>
2659      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2660 </programlisting>
2661 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2662 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2663 <programlisting>
2664      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2665 </programlisting>
2666 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2667 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2668 one can give a type signature for the function itself:
2669 <programlisting>
2670      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2671      h f = (f True, f 'c')
2672 </programlisting>
2673 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2674 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2675 <programlisting>
2676     f :: T a -> a -> (a, Char)
2677     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2678 </programlisting>
2679 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2680 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2681 it needs to know.
2682 </para>
2683
2684 </sect3>
2685
2686
2687 <sect3 id="implicit-quant">
2688 <title>Implicit quantification</title>
2689
2690 <para>
2691 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2692 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2693 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2694 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2695 equivalent:
2696 <programlisting>
2697   f :: a -> a
2698   f :: forall a. a -> a
2699
2700   g (x::a) = let
2701                 h :: a -> b -> b
2702                 h x y = y
2703              in ...
2704   g (x::a) = let
2705                 h :: forall b. a -> b -> b
2706                 h x y = y
2707              in ...
2708 </programlisting>
2709 </para>
2710 <para>
2711 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2712 point.  For example:
2713 <programlisting>
2714   f :: (a -> a) -> Int
2715            -- MEANS
2716   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2717            -- NOT
2718   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2719
2720
2721   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2722            -- MEANS the illegal type
2723   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2724            -- NOT
2725   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2726 </programlisting>
2727 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2728 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2729 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2730 for rank-2 types.
2731 </para>
2732 </sect3>
2733 </sect2>
2734
2735
2736
2737
2738 <sect2 id="scoped-type-variables">
2739 <title>Scoped type variables
2740 </title>
2741
2742 <para>
2743 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2744 <itemizedlist>
2745 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2746 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2747 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2748 </itemizedlist>
2749 For example:
2750 <programlisting>
2751 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2752            where
2753               ys :: [a]
2754               ys = reverse xs
2755 </programlisting>
2756 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2757 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2758 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2759 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2760 </para>
2761
2762 <para>
2763 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2764 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2765 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2766 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2767 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2768 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2769 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2770 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2771 it becomes possible to do so.
2772 </para>
2773
2774 <para>
2775 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2776 implementations differ from the specification below, those differences
2777 are noted.
2778 </para>
2779
2780 <para>
2781 So much for the basic idea.  Here are the details.
2782 </para>
2783
2784 <sect3>
2785 <title>What a scoped type variable means</title>
2786 <para>
2787 A lexically-scoped type variable is simply
2788 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2789 of the same name mean the same type.  For example:
2790 <programlisting>
2791   f :: [Int] -> Int -> Int
2792   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2793 </programlisting>
2794 The pattern type signatures on the left hand side of
2795 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2796 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2797 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2798 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2799 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2800 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2801 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2802 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2803 For example, all of these are legal:</para>
2804
2805 <programlisting>
2806   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2807
2808   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2809
2810   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2811
2812   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2813         in k x                  -- environment
2814
2815   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2816   k (x::Int) False = ...
2817
2818   w :: [b] -> [b]
2819   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2820 </programlisting>
2821
2822 </sect3>
2823
2824 <sect3>
2825 <title>Scope and implicit quantification</title>
2826
2827 <para>
2828
2829 <itemizedlist>
2830 <listitem>
2831
2832 <para>
2833 All the type variables mentioned in a pattern,
2834 that are not already in scope,
2835 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2836 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2837 For example:
2838 <programlisting>
2839   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2840              in
2841              g (x,True)
2842 </programlisting>
2843 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2844 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2845 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2846 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2847 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2848 </para>
2849 </listitem>
2850
2851 <listitem>
2852 <para>
2853 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2854 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2855 <programlisting>
2856   let
2857     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2858     (p::b, q::b) = (1,2)
2859   in &lt;...body of let...>
2860 </programlisting>
2861 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2862 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2863 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2864 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2865 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2866 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2867 </para>
2868 </listitem>
2869
2870
2871 <listitem>
2872 <para>
2873 The type variables bound by the pattern may be 
2874 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2875 type signatures anywhere within their scope.
2876
2877 </para>
2878 </listitem>
2879
2880 <listitem>
2881 <para>
2882  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2883 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2884
2885 </para>
2886 </listitem>
2887
2888 <listitem>
2889
2890 <para>
2891  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2892 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2893
2894 <programlisting>
2895   f :: a -> a
2896   f x = x::a
2897 </programlisting>
2898
2899 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2900 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2901 and that is an incorrect typing.
2902
2903 </para>
2904 </listitem>
2905
2906 <listitem>
2907 <para>
2908 The pattern type signature is a monotype:
2909 </para>
2910
2911 <itemizedlist>
2912 <listitem> <para> 
2913 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2914 </para> </listitem>
2915
2916 <listitem>  <para> 
2917 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2918 not to type schemes.
2919 </para> </listitem>
2920
2921 <listitem>  <para> 
2922 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2923 ordinary type signatures).
2924 </para> </listitem>
2925
2926 </itemizedlist>
2927
2928 </listitem>
2929
2930 <listitem>
2931 <para>
2932
2933 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2934 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2935
2936
2937 <programlisting>
2938   class C a where
2939     op :: [a] -> a
2940
2941     op xs = let ys::[a]
2942                 ys = reverse xs
2943             in
2944             head ys
2945 </programlisting>
2946
2947
2948 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2949 </para>
2950 </listitem>
2951
2952 </itemizedlist>
2953
2954 </para>
2955
2956 </sect3>
2957
2958 <sect3 id="decl-type-sigs">
2959 <title>Declaration type signatures</title>
2960 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
2961 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
2962 explicitly-quantified
2963 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
2964 <programlisting>
2965   f :: forall a. [a] -> [a]
2966   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
2967 </programlisting>
2968 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
2969 the definition of "<literal>f</literal>".
2970 </para>
2971 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
2972 signature is explicit.  For example:
2973 <programlisting>
2974   g :: [a] -> [a]
2975   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
2976 </programlisting>
2977 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
2978 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
2979 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
2980 quantification rules.
2981 </para>
2982 </sect3>
2983
2984 <sect3 id="pattern-type-sigs">
2985 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2986
2987 <para>
2988 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2989 <itemizedlist>
2990
2991 <listitem>
2992 <para>
2993 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2994 just on a variable:
2995
2996
2997 <programlisting>
2998   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2999 </programlisting>
3000
3001
3002 </para>
3003 </listitem>
3004 <listitem>
3005
3006 <para>
3007  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3008 in lambda abstractions:
3009
3010 <programlisting>
3011   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3012 </programlisting>
3013 </para>
3014 </listitem>
3015 <listitem>
3016
3017 <para>
3018  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3019 in <literal>case</literal> expressions:
3020
3021 <programlisting>
3022   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3023 </programlisting>
3024
3025 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3026 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3027 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3028 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3029 arrow and give a parse error later.
3030
3031 </para>
3032
3033 </listitem>
3034
3035 <listitem>
3036 <para>
3037 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3038 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3039 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3040 consider how one would parse this:
3041
3042
3043 <programlisting>
3044   \ x :: a -> b -> x
3045 </programlisting>
3046
3047
3048 </para>
3049 </listitem>
3050
3051 <listitem>
3052
3053 <para>
3054  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3055 For example:
3056
3057
3058 <programlisting>
3059   data T = forall a. MkT [a]
3060
3061   f :: T -> T
3062   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3063                  where
3064                    t3::[a] = [t,t,t]
3065 </programlisting>
3066
3067
3068 </para>
3069 </listitem>
3070
3071
3072 <listitem>
3073
3074 <para>
3075 Pattern type signatures 
3076 can be used in pattern bindings:
3077
3078 <programlisting>
3079   f x = let (y, z::a) = x in ...
3080   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3081   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3082   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3083 </programlisting>
3084
3085 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3086 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3087 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3088 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3089 In contrast, the binding
3090 <programlisting>
3091   f4 :: b->b
3092   f4 = \x -> x
3093 </programlisting>
3094 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3095 in <literal>f4</literal>'s scope.
3096
3097 </para>
3098 </listitem>
3099 </itemizedlist>
3100 </para>
3101 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3102 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3103
3104 </sect3>
3105
3106 <sect3 id="result-type-sigs">
3107 <title>Result type signatures</title>
3108
3109 <para>
3110 The result type of a function can be given a signature, thus:
3111
3112
3113 <programlisting>
3114   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3115 </programlisting>
3116
3117
3118 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3119 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3120 you want:
3121
3122
3123 <programlisting>
3124   f :: Int -> [a] -> [a]
3125   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3126                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3127 </programlisting>
3128
3129 </para>
3130 <para>
3131 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3132 of the definition. However, consider this corner-case:
3133 <programlisting>
3134   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3135
3136   foo ys = rev (ys::[a])
3137 </programlisting>
3138 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3139 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3140 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3141 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3142 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3143 </para>
3144 <para>
3145 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3146 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3147 is polymorphic:
3148 <programlisting>
3149   rev1 :: [b] -> [b]
3150   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3151 </programlisting>
3152 </para>
3153
3154 <para>
3155 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3156 </para>
3157
3158 </sect3>
3159
3160 </sect2>
3161
3162 <sect2 id="deriving-typeable">
3163 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3164
3165 <para>
3166 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3167 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3168 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3169 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3170 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3171 </para>
3172 <para>
3173 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3174 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3175 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3176 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3177 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3178 </para>
3179 </sect2>
3180
3181 <sect2 id="newtype-deriving">
3182 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3183
3184 <para>
3185 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3186 the new type to inherit some instances from its representation. In
3187 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3188 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3189 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3190 example, if you define
3191
3192 <programlisting> 
3193   newtype Dollars = Dollars Int 
3194 </programlisting> 
3195
3196 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3197 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3198
3199 <programlisting> 
3200   instance Num Dollars where
3201     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3202     ...
3203 </programlisting>
3204 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3205 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3206 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3207 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3208 dictionary, only slower!
3209 </para>
3210
3211
3212 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3213 <para>
3214 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3215 <programlisting> 
3216   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3217 </programlisting> 
3218
3219 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3220 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3221 derives an instance declaration of the form
3222
3223 <programlisting> 
3224   instance Num Int => Num Dollars
3225 </programlisting> 
3226
3227 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3228 </para>
3229 <para>
3230
3231 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3232 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3233 transformers, such that
3234
3235 <programlisting> 
3236   instance Monad m => Monad (State s m) 
3237   instance Monad m => Monad (Failure m)
3238 </programlisting> 
3239 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3240 <programlisting> 
3241   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3242 </programlisting> 
3243
3244 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3245 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3246 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3247
3248 <programlisting> 
3249   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3250                          deriving Monad
3251 </programlisting>
3252 In this case the derived instance declaration is of the form 
3253 <programlisting> 
3254   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3255 </programlisting> 
3256
3257 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3258 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3259 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3260 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3261 declaration.
3262 </para>
3263 <para>
3264
3265 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3266 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3267 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3268 clause. For example, given the class
3269
3270 <programlisting> 
3271   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3272   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3273 </programlisting> 
3274 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3275 <programlisting> 
3276   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3277                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3278 </programlisting>
3279
3280 The derived instance is obtained by completing the application of the
3281 class to the new type:
3282
3283 <programlisting> 
3284   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3285            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3286 </programlisting>
3287 </para>
3288 <para>
3289
3290 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3291  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3292 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3293 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3294 the newtype and its representation.
3295 </para>
3296 </sect3>
3297
3298 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3299 <para>
3300 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3301 declaration (after expansion of any type synonyms)
3302
3303 <programlisting> 
3304   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3305 </programlisting> 
3306
3307 where 
3308  <itemizedlist>
3309 <listitem><para>
3310   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3311 </para></listitem>
3312 <listitem><para>
3313   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3314 </para></listitem>
3315 <listitem><para>
3316   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3317   the <literal>ti</literal>, and
3318 </para></listitem>
3319 <listitem><para>
3320   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3321   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3322   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3323 </para></listitem>
3324 <listitem><para>
3325   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3326                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3327                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3328                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3329                 via this new mechanism.  
3330 </para></listitem>
3331 </itemizedlist>
3332 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3333 declaration is:
3334 <programlisting> 
3335   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3336 </programlisting>
3337 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3338 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3339 </para>
3340 <para>
3341
3342 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3343 <programlisting> 
3344   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3345 </programlisting> 
3346 Here we cannot derive the instance 
3347 <programlisting> 
3348   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3349 </programlisting> 
3350
3351 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3352 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3353 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3354 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3355 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3356 </para>
3357 <para>
3358
3359 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3360 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3361 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3362
3363 <programlisting> 
3364   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3365 </programlisting>
3366
3367 then we would not have been able to derive an instance for the
3368 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3369 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3370 instances is most interesting.
3371 </para>
3372 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3373 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3374 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3375 4.3.3. of the Haskell Report).
3376 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3377 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3378 the standard method is used or the one described here.)
3379 </para>
3380 </sect3>
3381
3382 </sect2>
3383
3384
3385 </sect1>
3386 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3387   
3388 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3389
3390 <sect1 id="gadt">
3391 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3392
3393 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3394 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3395 <programlisting>
3396   data Term a where
3397       Lit    :: Int -> Term Int
3398       Succ   :: Term Int -> Term Int
3399       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3400       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3401       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3402 </programlisting>
3403 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3404 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3405 for these <literal>Terms</literal>:
3406 <programlisting>
3407   eval :: Term a -> a
3408   eval (Lit i)      = i
3409   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3410   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3411   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3412   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3413 </programlisting>
3414 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3415 </para>
3416 <para> The extensions to GHC are these:
3417 <itemizedlist>
3418 <listitem><para>
3419   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3420 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3421 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3422 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3423 <programlisting>
3424   data Term :: * -> * where ...
3425 </programlisting>
3426 or even a mixture of the two:
3427 <programlisting>
3428   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3429 </programlisting>
3430 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3431 like this:
3432 <programlisting>
3433   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3434 </programlisting>
3435 </para></listitem>
3436
3437 <listitem><para>
3438 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3439 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3440 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3441 </para></listitem>
3442
3443 <listitem><para>
3444 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type declaration,
3445 nor can you use record syntax.  (It's not clear what these constructs would mean.  For example,
3446 the record selectors might ill-typed.)  However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3447 in the constructor type:
3448 <programlisting>
3449   data Term a where
3450       Lit    :: !Int -> Term Int
3451       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3452       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3453 </programlisting>
3454 </para></listitem>
3455
3456 <listitem><para>
3457 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3458 <programlisting>
3459   eval :: Term a -> a
3460   eval (Lit i) =  ...
3461 </programlisting>
3462 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3463 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3464 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3465
3466 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3467 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3468 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3469 <programlisting>
3470   eval :: Term a -> a -> a
3471   eval (Lit i) j =  i+j
3472 </programlisting>
3473 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3474 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3475 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3476 </para>
3477 </listitem>
3478 </itemizedlist>
3479 </para>
3480
3481 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3482 <programlisting>
3483   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3484   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T a }
3485 </programlisting>
3486 </para>
3487 </sect1>
3488
3489 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3490
3491 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3492
3493 <sect1 id="template-haskell">
3494 <title>Template Haskell</title>
3495
3496 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3497 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3498 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3499 the background to
3500 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3501 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3502 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3503 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3504 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3505 (search for the type ExpQ).
3506 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3507       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3508 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3509 </para>
3510
3511 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3512 </para>
3513
3514 <para>
3515 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3516 Tim Sheard is going to expand it.)
3517 </para>
3518
3519     <sect2>
3520       <title>Syntax</title>
3521
3522       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3523       constructions.  You need to use the flag
3524       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3525       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3526       (<option>-fth</option> is currently implied by
3527       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3528       specify it explicitly).</para>
3529
3530         <itemizedlist>
3531               <listitem><para>
3532                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3533                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3534                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3535                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3536                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3537                   </para>
3538               <para> A splice can occur in place of 
3539                   <itemizedlist>
3540                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3541                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3542                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3543                     </itemizedlist>
3544            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3545         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3546         as in the paper.)
3547                 </para></listitem>
3548
3549
3550               <listitem><para>
3551                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3552                   <itemizedlist>
3553                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3554                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3555                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3556                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3557                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3558                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3559                   </itemizedlist></para></listitem>
3560
3561               <listitem><para>
3562                   Reification is written thus:
3563                   <itemizedlist>
3564                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3565                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3566                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3567                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3568                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3569                     
3570                   </itemizedlist></para>
3571                 </listitem>
3572
3573                   
3574         </itemizedlist>
3575 </sect2>
3576
3577 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3578 <para>
3579 <itemizedlist>
3580     <listitem><para>
3581     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3582     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3583     </para></listitem>
3584
3585     <listitem><para>
3586     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3587             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3588             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3589    </para></listitem>
3590
3591     <listitem><para>
3592             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3593    </para></listitem>
3594     <listitem><para>
3595             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3596               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3597               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3598               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3599               those of the compiler itself.
3600    </para></listitem>
3601 </itemizedlist>
3602 </para>
3603 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3604         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3605         has been lifted.
3606 </para>
3607 </sect2>
3608  
3609 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3610 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3611   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3612
3613 <programlisting>
3614
3615 {- Main.hs -}
3616 module Main where
3617
3618 -- Import our template "pr"
3619 import Printf ( pr )
3620
3621 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3622 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3623 -- the argument of "putStrLn".
3624 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3625
3626
3627 {- Printf.hs -}
3628 module Printf where
3629
3630 -- Skeletal printf from the paper.
3631 -- It needs to be in a separate module to the one where
3632 -- you intend to use it.
3633
3634 -- Import some Template Haskell syntax
3635 import Language.Haskell.TH
3636
3637 -- Describe a format string
3638 data Format = D | S | L String
3639
3640 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3641 -- as we are here interested in building our first ever
3642 -- Template Haskell program and not in building printf.
3643 parse :: String -> [Format]
3644 parse s   = [ L s ]
3645
3646 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3647 -- of the format string.  This code will be spliced into
3648 -- the module which calls "pr", at compile time.
3649 gen :: [Format] -> ExpQ
3650 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3651 gen [S]   = [| \s -> s |]
3652 gen [L s] = stringE s
3653
3654 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3655 -- from an input format string.
3656 pr :: String -> ExpQ
3657 pr s      = gen (parse s)
3658 </programlisting>
3659
3660 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3661 </para>
3662 <programlisting>
3663 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3664 </programlisting>
3665
3666 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3667
3668 <programlisting>
3669 $ ./main
3670 Hello
3671 </programlisting>
3672
3673 </sect2>
3674  
3675 </sect1>
3676
3677 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3678
3679 <sect1 id="arrow-notation">
3680 <title>Arrow notation
3681 </title>
3682
3683 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3684 For more details, see
3685 <itemizedlist>
3686
3687 <listitem>
3688 <para>
3689 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3690 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3691 pp67&ndash;111, May 2000.
3692 </para>
3693 </listitem>
3694
3695 <listitem>
3696 <para>
3697 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3698 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3699 </para>
3700 </listitem>
3701
3702 <listitem>
3703 <para>
3704 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3705 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3706 Palgrave, 2003.
3707 </para>
3708 </listitem>
3709
3710 </itemizedlist>
3711 and the arrows web page at
3712 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3713 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3714 notation described in the second of these papers.
3715 What follows is a brief introduction to the notation;
3716 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3717 This notation is translated to ordinary Haskell,
3718 using combinators from the
3719 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3720 module.
3721 </para>
3722
3723 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3724 <screen>
3725 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3726        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3727 </screen>
3728 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3729 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3730 <literal>proc</literal>-expression,
3731 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3732 The syntax of commands is as follows:
3733 <screen>
3734 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3735        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3736        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3737 </screen>
3738 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3739 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3740 infix operators as for expressions, and
3741 <screen>
3742 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3743        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3744        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3745        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3746        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3747        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3748
3749 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3750        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3751        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3752
3753 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3754        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3755        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3756        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3757 </screen>
3758 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3759 except that the bodies are commands instead of expressions.
3760 </para>
3761
3762 <para>
3763 Commands produce values, but (like monadic computations)
3764 may yield more than one value,
3765 or none, and may do other things as well.
3766 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3767 using commands.
3768 However the values of expressions, even monadic ones,
3769 are determined by the values of the variables they contain;
3770 this is not necessarily the case for commands.
3771 </para>
3772
3773 <para>
3774 A simple example of the new notation is the expression
3775 <screen>
3776 proc x -> f -&lt; x+1
3777 </screen>
3778 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3779 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3780 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3781 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3782 It refers to the input to the arrow.
3783 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3784 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3785 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3786 (The weird look will make more sense later.)
3787 It may be read as analogue of application for arrows.
3788 The above example is equivalent to the Haskell expression
3789 <screen>
3790 arr (\ x -> x+1) >>> f
3791 </screen>
3792 That would make no sense if the expression to the left of
3793 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3794 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3795 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3796 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3797 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3798 <screen>
3799 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3800 </screen>
3801 which is equivalent to
3802 <screen>
3803 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3804 </screen>
3805 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3806 class.
3807 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3808 you may find a monadic formulation more convenient.
3809 </para>
3810
3811 <sect2>
3812 <title>do-notation for commands</title>
3813
3814 <para>
3815 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3816 For example, you can write
3817 <screen>
3818 proc x -> do
3819         y &lt;- f -&lt; x+1
3820         g -&lt; 2*y
3821         let z = x+y
3822         t &lt;- h -&lt; x*z
3823         returnA -&lt; t+z
3824 </screen>
3825 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3826 but with commands in place of monadic expressions.
3827 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3828 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3829 <literal>y</literal>.
3830 In the next line, the output is discarded.
3831 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3832 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3833 module as <literal>arr id</literal>.
3834 The above example is treated as an abbreviation for
3835 <screen>
3836 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3837         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3838         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3839         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3840         arr snd >>>
3841         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3842         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3843         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3844         returnA
3845 </screen>
3846 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3847 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3848 defined in the
3849 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3850 module, this reduces to
3851 <screen>
3852 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3853         first f >>>
3854         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3855         first g >>>
3856         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3857         first h >>>
3858         arr (\ (t, z) -> t+z)
3859 </screen>
3860 which is what you might have written by hand.
3861 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3862 </para>
3863
3864 <para>
3865 Note that although the above translation suggests that
3866 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3867 monomorphic, the actual translation produces Core,
3868 so polymorphic variables are allowed.
3869 </para>
3870
3871 <para>
3872 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3873 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3874 <programlisting>
3875 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3876 counter = proc reset -> do
3877         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3878                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3879         returnA -&lt; output
3880 </programlisting>
3881 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
3882 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3883 </para>
3884
3885 </sect2>
3886
3887 <sect2>
3888 <title>Conditional commands</title>
3889
3890 <para>
3891 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3892 input for an arrow.
3893 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3894 <screen>
3895 proc (x,y) ->
3896         if f x y
3897         then g -&lt; x+1
3898         else h -&lt; y+2
3899 </screen>
3900 which is translated to
3901 <screen>
3902 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3903         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3904 </screen>
3905 Since the translation uses <function>|||</function>,
3906 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3907 </para>
3908
3909 <para>
3910 There are also <literal>case</literal> commands, like
3911 <screen>
3912 case input of
3913     [] -> f -&lt; ()
3914     [x] -> g -&lt; x+1
3915     x1:x2:xs -> do
3916         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3917         ys &lt;- k -&lt; xs
3918         returnA -&lt; y:ys
3919 </screen>
3920 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3921 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3922 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3923 </para>
3924
3925 </sect2>
3926
3927 <sect2>
3928 <title>Defining your own control structures</title>
3929
3930 <para>
3931 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3932 modelled on those for expressions,
3933 for sequencing, value recursion and conditionals.
3934 But suitable combinators,
3935 which you can define in ordinary Haskell,
3936 may also be used to build new commands out of existing ones.
3937 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3938 These environments assign values to the free local variables of the command.
3939 Thus combinators that produce arrows from arrows
3940 may also be used to build commands from commands.
3941 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3942 <programlisting>
3943 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3944 </programlisting>
3945 so we can use it to build commands:
3946 <programlisting>
3947 expr' = proc x -> do
3948                 returnA -&lt; x
3949         &lt;+> do
3950                 symbol Plus -&lt; ()
3951                 y &lt;- term -&lt; ()
3952                 expr' -&lt; x + y
3953         &lt;+> do
3954                 symbol Minus -&lt; ()
3955                 y &lt;- term -&lt; ()
3956                 expr' -&lt; x - y
3957 </programlisting>
3958 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3959 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3960 expression on the previous line.)
3961 This is equivalent to
3962 <programlisting>
3963 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3964         &lt;+> (proc x -> do
3965                 symbol Plus -&lt; ()
3966                 y &lt;- term -&lt; ()
3967                 expr' -&lt; x + y)
3968         &lt;+> (proc x -> do
3969                 symbol Minus -&lt; ()
3970                 y &lt;- term -&lt; ()
3971                 expr' -&lt; x - y)
3972 </programlisting>
3973 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3974 (representing the environment input to the command
3975 and thence to its subcommands)
3976 and satisfy the corresponding naturality property
3977 <screen>
3978 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3979 </screen>
3980 at least for strict <literal>k</literal>.
3981 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
3982 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3983 of the whole command,
3984 and also allows the translation to safely trim these environments.
3985 The operator must also not use any variable defined within the current
3986 arrow abstraction.
3987 </para>
3988
3989 <para>
3990 We could define our own operator
3991 <programlisting>
3992 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3993 untilA body cond = proc x ->
3994         if cond x then returnA -&lt; ()
3995         else do
3996                 body -&lt; x
3997                 untilA body cond -&lt; x
3998 </programlisting>
3999 and use it in the same way.
4000 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4001 there is also a more general syntax involving special brackets:
4002 <screen>
4003 proc x -> do
4004         y &lt;- f -&lt; x+1
4005         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4006 </screen>
4007 </para>
4008
4009 </sect2>
4010
4011 <sect2>
4012 <title>Primitive constructs</title>
4013
4014 <para>
4015 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4016 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4017 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4018 exception that occurred to the handler.
4019 Such an operator might have a type
4020 <screen>
4021 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4022 </screen>
4023 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4024 You could then use this with arrow notation by writing a command
4025 <screen>
4026 body `handleA` \ ex -> handler
4027 </screen>
4028 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4029 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4030 and the command <literal>handler</literal>,
4031 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4032 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4033 we are talking about commands, and something different is going on.
4034 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4035 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4036 In all the prior examples, this stack was empty.
4037 In the second argument to <function>handleA</function>,
4038 this stack consists of one value, the value of the exception.
4039 The command form of lambda merely gives this value a name.
4040 </para>
4041
4042 <para>
4043 More concretely,
4044 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4045 So operators like <function>handleA</function> that pass
4046 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4047 by pairing the values with the environment in this way.
4048 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4049 should have the form
4050 <screen>
4051 a (...(e,t1), ... tn) t
4052 </screen>
4053 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4054 (representing the environment)
4055 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4056 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4057 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4058 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4059 <replaceable>t</replaceable>.
4060 However the arrows involved need not be the same.
4061 Here are some more examples of suitable operators:
4062 <screen>
4063 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4064 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4065 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4066 </screen>
4067 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4068 by applying them to ordinary expressions, as in
4069 <screen>
4070 proc x -> do
4071         s &lt;- ...
4072         (|runReader (do { ... })|) s
4073 </screen>
4074 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4075 built using <function>runReader</function>.
4076 </para>
4077
4078 <para>
4079 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4080 the expression versions.
4081 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4082 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4083 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4084 though the results would be somewhat clumsy.
4085 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4086 <programlisting>
4087 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4088 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4089
4090 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4091 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4092 </programlisting>
4093 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4094 <programlisting>
4095 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4096 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4097 </programlisting>
4098 </para>
4099
4100 </sect2>
4101
4102 <sect2>
4103 <title>Differences with the paper</title>
4104
4105 <itemizedlist>
4106
4107 <listitem>
4108 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4109 translations, the implementation provides two forms
4110 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4111 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4112 </para>
4113 </listitem>
4114
4115 <listitem>
4116 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4117 a new <literal>form</literal> keyword.
4118 </para>
4119 </listitem>
4120
4121 </itemizedlist>
4122
4123 </sect2>
4124
4125 <sect2>
4126 <title>Portability</title>
4127
4128 <para>
4129 Although only GHC implements arrow notation directly,
4130 there is also a preprocessor
4131 (available from the 
4132 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4133 that translates arrow notation into Haskell 98
4134 for use with other Haskell systems.
4135 You would still want to check arrow programs with GHC;
4136 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4137 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4138 additional restrictions:
4139 <itemizedlist>
4140
4141 <listitem>
4142 <para>
4143 The module must import
4144 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4145 </para>
4146 </listitem>
4147
4148 <listitem>
4149 <para>
4150 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4151 These would have to go in separate modules.
4152 </para>
4153 </listitem>
4154
4155 <listitem>
4156 <para>
4157 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4158 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4159 </para>
4160 </listitem>
4161
4162 </itemizedlist>
4163 </para>
4164
4165 </sect2>
4166
4167 </sect1>
4168
4169 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4170
4171 <sect1 id="sec-assertions">
4172 <title>Assertions
4173 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4174 </title>
4175
4176 <para>
4177 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4178 could define a function like the following:
4179 </para>
4180
4181 <para>
4182
4183 <programlisting>
4184 assert :: Bool -> a -> a
4185 assert False x = error "assertion failed!"
4186 assert _     x = x
4187 </programlisting>
4188
4189 </para>
4190
4191 <para>
4192 which works, but gives you back a less than useful error message --
4193 an assertion failed, but which and where?
4194 </para>
4195
4196 <para>
4197 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4198 takes a descriptive string to include in the error message and
4199 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4200 the source location where <function>assert</function> was used.
4201 </para>
4202
4203 <para>
4204 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4205 use of <function>assert</function> in the user's source:
4206 </para>
4207
4208 <para>
4209
4210 <programlisting>
4211 kelvinToC :: Double -> Double
4212 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4213 </programlisting>
4214
4215 </para>
4216
4217 <para>
4218 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4219 assertion was made,
4220 </para>
4221
4222 <para>
4223
4224 <programlisting>
4225 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4226 </programlisting>
4227
4228 </para>
4229
4230 <para>
4231 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4232 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4233 can still define and use your own versions of
4234 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4235 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4236 <function>assert</function> in your code.
4237 </para>
4238
4239 <para>
4240 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4241 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4242 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4243 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4244 <literal>e</literal>.
4245 </para>
4246
4247 <para>
4248 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4249 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4250 </para>
4251
4252 </sect1>
4253
4254
4255 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4256
4257   <sect1 id="pragmas">
4258     <title>Pragmas</title>
4259
4260     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4261
4262     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4263     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4264     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4265     of the generated code.</para>
4266
4267     <para>Pragmas all take the form
4268
4269 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4270
4271     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4272     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4273     type of pragma.  Case is ignored in
4274     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4275     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4276     in the following sections; any pragma encountered with an
4277     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4278     ignored.</para>
4279
4280     <sect2 id="deprecated-pragma">
4281       <title>DEPRECATED pragma</title>
4282       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4283       </indexterm>
4284
4285       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4286       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4287       forms.
4288
4289       <itemizedlist>
4290         <listitem>
4291           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4292 <programlisting>
4293    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4294      ...
4295 </programlisting>
4296           <para>When you compile any module that import
4297           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4298           message.</para>
4299         </listitem>
4300
4301         <listitem>
4302           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4303           following top-level declaration:</para>
4304 <programlisting>
4305    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4306 </programlisting>
4307           <para>When you compile any module that imports and uses any
4308           of the specified entities, GHC will print the specified
4309           message.</para>
4310         </listitem>
4311       </itemizedlist>
4312       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4313       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4314       deprecations are not reported for
4315       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4316       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4317       The latter reduces spurious complaints within a library
4318       in which one module gathers together and re-exports 
4319       the exports of several others.
4320       </para>
4321       <para>You can suppress the warnings with the flag
4322       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4323     </sect2>
4324
4325     <sect2 id="include-pragma">
4326       <title>INCLUDE pragma</title>
4327
4328       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4329         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4330         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4331         compiling via C).  For example:</para>
4332
4333 <programlisting>
4334 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4335 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4336
4337       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4338         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4339         pragma(s).</para>
4340
4341       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4342         to the <option>-#include</option> option (<xref
4343           linkend="options-C-compiler" />), because the
4344         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4345         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4346         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4347         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4348     </sect2>
4349
4350     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4351       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4352
4353       <para>These pragmas control the inlining of function
4354       definitions.</para>
4355
4356       <sect3 id="inline-pragma">
4357         <title>INLINE pragma</title>
4358         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4359
4360         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4361         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4362         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4363         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4364         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4365         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4366         export that unfolding for other modules to use.</para>
4367
4368         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4369         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4370         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4371
4372 <programlisting>
4373 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4374
4375 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4376 {-# INLINE key_function #-}
4377 #endif
4378 </programlisting>
4379
4380         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4381         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4382         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4383
4384         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4385         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4386         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4387         inline it.</para>
4388
4389         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4390         function can be put anywhere its type signature could be
4391         put.</para>
4392
4393         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4394         good idea for the
4395         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4396         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4397         a monad.  For example, in GHC's own
4398         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4399
4400 <programlisting>
4401 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4402 {-# INLINE thenUs #-}
4403 {-# INLINE returnUs #-}
4404 #endif
4405 </programlisting>
4406
4407         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4408         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4409       </sect3>
4410
4411       <sect3 id="noinline-pragma">
4412         <title>NOINLINE pragma</title>
4413         
4414         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4415         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4416
4417         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4418         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4419         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4420         you're very cautious about code size.</para>
4421
4422         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4423         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4424         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4425         inlining, so it should be used if you want your code to be
4426         portable).</para>
4427       </sect3>
4428
4429       <sect3 id="phase-control">
4430         <title>Phase control</title>
4431
4432         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4433         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4434         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4435         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4436         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4437         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4438         sequence of phase numbers for successive runs of the
4439         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4440         phase number, thus:</para>
4441
4442         <itemizedlist>
4443           <listitem>
4444             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4445             and all subsequent phases":
4446 <programlisting>
4447   {-# INLINE [2] f #-}
4448 </programlisting>
4449             </para>
4450           </listitem>
4451
4452           <listitem>
4453             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4454             phases up to, but not including, Phase 3":
4455 <programlisting>
4456   {-# INLINE [~3] g #-}
4457 </programlisting>
4458             </para>
4459           </listitem>
4460
4461           <listitem>
4462             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4463             all phases".</para>
4464           </listitem>
4465         </itemizedlist>
4466
4467         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4468
4469         <itemizedlist>
4470           <listitem>
4471             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4472             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4473             there was no pragma at all":
4474 <programlisting>
4475   {-# NOINLINE [2] f #-}
4476 </programlisting>
4477             </para>
4478           </listitem>
4479
4480           <listitem>
4481             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4482             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4483             there was no pragma":
4484 <programlisting>
4485   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4486 </programlisting>
4487             </para>
4488           </listitem>
4489
4490           <listitem>
4491             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4492             inline this function".</para>
4493           </listitem>
4494         </itemizedlist>
4495
4496         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4497         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4498       </sect3>
4499     </sect2>
4500
4501     <sect2 id="line-pragma">
4502       <title>LINE pragma</title>
4503
4504       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4505       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4506       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4507       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4508       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4509       original code; for example</para>
4510
4511 <programlisting>
4512 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4513 </programlisting>
4514
4515       <para>if you'd generated the current file from something called
4516       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4517       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4518       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4519       pragma.</para>
4520     </sect2>
4521
4522     <sect2 id="options-pragma">
4523       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4524       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4525       </indexterm>
4526       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4527       </indexterm>
4528
4529       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4530       additional options that are given to the compiler when compiling
4531       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4532       details.</para>
4533
4534       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4535         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4536     </sect2>
4537
4538     <sect2 id="rules">
4539       <title>RULES pragma</title>
4540
4541       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4542       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4543     </sect2>
4544
4545     <sect2 id="specialize-pragma">
4546       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4547
4548       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4549       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4550       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4551
4552       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4553       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4554       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4555       overloaded function:</para>
4556
4557 <programlisting>
4558 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4559 </programlisting>
4560
4561       <para>If it is heavily used on lists with
4562       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4563       follows:</para>
4564
4565 <programlisting>
4566 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4567 </programlisting>
4568
4569       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4570       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4571
4572       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4573       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4574       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4575       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4576
4577       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4578       specialised function for a given type:
4579
4580 <programlisting>
4581 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4582 </programlisting>
4583
4584       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4585       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4586
4587     </sect2>
4588
4589 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4590 <title>SPECIALIZE instance pragma
4591 </title>
4592
4593 <para>
4594 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4595 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4596 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4597
4598 <programlisting>
4599 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4600    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4601    ... usual stuff ...
4602  }
4603 </programlisting>
4604 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4605 of the instance declaration.
4606 </para>
4607 <para>
4608 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4609 of the pragma.
4610 </para>
4611
4612 </sect2>
4613
4614     <sect2 id="unpack-pragma">
4615       <title>UNPACK pragma</title>
4616
4617       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4618       
4619       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4620       that it should unpack the contents of a constructor field into
4621       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4622       example:</para>
4623
4624 <programlisting>
4625 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4626            {-# UNPACK #-} !Float
4627 </programlisting>
4628
4629       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4630       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4631       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4632       floats passed to a non-strict function for example, they will
4633       have to be reboxed (this is done automatically by the
4634       compiler).</para>
4635
4636       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4637       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4638       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4639       often as possible.  For example:</para>
4640
4641 <programlisting>
4642 f :: T -&#62; Float
4643 f (T f1 f2) = f1 + f2
4644 </programlisting>
4645
4646       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4647       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4648       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4649
4650       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4651       example</para>
4652
4653 <programlisting>
4654 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4655 </programlisting>
4656
4657       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4658       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4659       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4660
4661 <programlisting>
4662 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4663 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4664 </programlisting>
4665
4666       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4667       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4668       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4669
4670       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4671       so it might be an idea to check the generated code with
4672       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4673
4674       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4675       which essentially has the effect of adding
4676       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4677       constructor field.</para>
4678     </sect2>
4679
4680 </sect1>
4681
4682 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4683
4684 <sect1 id="rewrite-rules">
4685 <title>Rewrite rules
4686
4687 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4688 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4689 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4690
4691 <para>
4692 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4693 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4694 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4695 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4696 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4697 </para>
4698
4699 <para>
4700 Here is an example:
4701
4702 <programlisting>
4703   {-# RULES
4704         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4705   #-}
4706 </programlisting>
4707
4708 </para>
4709
4710 <sect2>
4711 <title>Syntax</title>
4712
4713 <para>
4714 From a syntactic point of view:
4715
4716 <itemizedlist>
4717 <listitem>
4718
4719 <para>
4720  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4721 </para>
4722 </listitem>
4723
4724 <listitem>
4725
4726 <para>
4727  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4728 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4729 </para>
4730 </listitem>
4731
4732 <listitem>
4733 <para>
4734 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4735 immediately after the name of the rule.  Thus:
4736 <programlisting>
4737   {-# RULES
4738         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4739   #-}
4740 </programlisting>
4741 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4742 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4743 Phase 2.
4744 </para>
4745 </listitem>
4746
4747
4748 <listitem>
4749
4750 <para>
4751  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4752 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4753 enclosing definitions.
4754 </para>
4755 </listitem>
4756
4757 <listitem>
4758
4759 <para>
4760  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4761 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4762 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4763 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4764 </para>
4765 </listitem>
4766 <listitem>
4767
4768 <para>
4769  A pattern variable may optionally have a type signature.
4770 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4771 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4772
4773 <programlisting>
4774 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4775               foldr k z (build g) = g k z
4776 </programlisting>
4777
4778 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4779
4780 </para>
4781 </listitem>
4782 <listitem>
4783
4784 <para>
4785 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4786 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4787
4788 <programlisting>
4789 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4790 "wrong2"   forall f.      f True = True
4791 </programlisting>
4792
4793 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4794 in the head.
4795 </para>
4796 </listitem>
4797 <listitem>
4798
4799 <para>
4800  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4801 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4802 </para>
4803 </listitem>
4804 <listitem>
4805
4806 <para>
4807  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4808 </para>
4809 </listitem>
4810
4811 </itemizedlist>
4812
4813 </para>
4814
4815 </sect2>
4816
4817 <sect2>
4818 <title>Semantics</title>
4819
4820 <para>
4821 From a semantic point of view:
4822
4823 <itemizedlist>
4824 <listitem>
4825
4826 <para>
4827 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4828 </para>
4829 </listitem>
4830
4831 <listitem>
4832 <para>
4833  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4834 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4835 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4836 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4837 expression by substituting for the pattern variables.
4838
4839 </para>
4840 </listitem>
4841 <listitem>
4842
4843 <para>
4844  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4845 same type.
4846
4847 </para>
4848 </listitem>
4849 <listitem>
4850
4851 <para>
4852  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4853 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
4854 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4855
4856 </para>
4857 </listitem>
4858 <listitem>
4859
4860 <para>
4861  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4862 terminating.  For example:
4863
4864 <programlisting>
4865   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4866 </programlisting>
4867
4868 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4869
4870 </para>
4871 </listitem>
4872 <listitem>
4873
4874 <para>
4875  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4876
4877 </para>
4878 </listitem>
4879 <listitem>
4880 <para>
4881  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4882 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4883 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4884 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4885 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
4886 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4887 </para>
4888
4889 <para>
4890 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4891 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4892 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4893 </para>
4894 </listitem>
4895 <listitem>
4896
4897 <para>
4898  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4899 For example, consider:
4900
4901 <programlisting>
4902   let s = map f
4903       t = map g
4904   in
4905   s (t xs)
4906 </programlisting>
4907
4908 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4909 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4910 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4911 not be substituted, and the rule would not fire.
4912
4913 </para>
4914 </listitem>
4915 <listitem>
4916
4917 <para>
4918  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4919 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4920 for something you can't match against it (given the simple minded
4921 matching).  So if you write the rule
4922
4923 <programlisting>
4924         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4925 </programlisting>
4926
4927 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4928 It will only match something written with explicit use of ".".
4929 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4930
4931 <programlisting>
4932 wibble f g xs
4933 </programlisting>
4934
4935 where <function>wibble</function> is defined:
4936
4937 <programlisting>
4938 wibble f g = map f . map g
4939 </programlisting>
4940
4941 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4942
4943 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4944 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4945 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4946
4947 </para>
4948 </listitem>
4949 <listitem>
4950
4951 <para>
4952  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4953 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4954 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4955 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4956 declarations.
4957 </para>
4958 </listitem>
4959
4960 </itemizedlist>
4961
4962 </para>
4963
4964 </sect2>
4965
4966 <sect2>
4967 <title>List fusion</title>
4968
4969 <para>
4970 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4971 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4972 intermediate list should be eliminated entirely.
4973 </para>
4974
4975 <para>
4976 The following are good producers:
4977
4978 <itemizedlist>
4979 <listitem>
4980
4981 <para>
4982  List comprehensions
4983 </para>
4984 </listitem>
4985 <listitem>
4986
4987 <para>
4988  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4989 </para>
4990 </listitem>
4991 <listitem>
4992
4993 <para>
4994  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4995 </para>
4996 </listitem>
4997 <listitem>
4998
4999 <para>
5000  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5001 </para>
5002 </listitem>
5003 <listitem>
5004
5005 <para>
5006  <function>++</function>
5007 </para>
5008 </listitem>
5009
5010 <listitem>
5011 <para>
5012  <function>map</function>
5013 </para>
5014 </listitem>
5015
5016 <listitem>
5017 <para>
5018  <function>filter</function>
5019 </para>
5020 </listitem>
5021 <listitem>
5022
5023 <para>
5024  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5025 </para>
5026 </listitem>
5027 <listitem>
5028
5029 <para>
5030  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5031 </para>
5032 </listitem>
5033
5034 </itemizedlist>
5035
5036 </para>
5037
5038 <para>
5039 The following are good consumers:
5040
5041 <itemizedlist>
5042 <listitem>
5043
5044 <para>
5045  List comprehensions
5046 </para>
5047 </listitem>
5048 <listitem>
5049
5050 <para>
5051  <function>array</function> (on its second argument)
5052 </para>
5053 </listitem>
5054 <listitem>
5055
5056 <para>
5057  <function>length</function>
5058 </para>
5059 </listitem>
5060 <listitem>
5061
5062 <para>
5063  <function>++</function> (on its first argument)
5064 </para>
5065 </listitem>
5066
5067 <listitem>
5068 <para>
5069  <function>foldr</function>
5070 </para>
5071 </listitem>
5072
5073 <listitem>
5074 <para>
5075  <function>map</function>
5076 </para>
5077 </listitem>
5078 <listitem>
5079
5080 <para>
5081  <function>filter</function>
5082 </para>
5083 </listitem>
5084 <listitem>
5085
5086 <para>
5087  <function>concat</function>
5088 </para>
5089 </listitem>
5090 <listitem>
5091
5092 <para>
5093  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5094 </para>
5095 </listitem>
5096 <listitem>
5097
5098 <para>
5099  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5100 will fuse with one but not the other)
5101 </para>
5102 </listitem>
5103 <listitem>
5104
5105 <para>
5106  <function>partition</function>
5107 </para>
5108 </listitem>
5109 <listitem>
5110
5111 <para>
5112  <function>head</function>
5113 </para>
5114 </listitem>
5115 <listitem>
5116
5117 <para>
5118  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5119 </para>
5120 </listitem>
5121 <listitem>
5122
5123 <para>
5124  <function>sequence&lowbar;</function>
5125 </para>
5126 </listitem>
5127 <listitem>
5128
5129 <para>
5130  <function>msum</function>
5131 </para>
5132 </listitem>
5133 <listitem>
5134
5135 <para>
5136  <function>sortBy</function>
5137 </para>
5138 </listitem>
5139
5140 </itemizedlist>
5141
5142 </para>
5143
5144  <para>
5145 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5146
5147 <programlisting>
5148 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5149 </programlisting>
5150
5151 </para>
5152
5153 <para>
5154 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5155 a lot which are not included, please tell us.
5156 </para>
5157
5158 <para>
5159 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5160 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5161 </para>
5162
5163 </sect2>
5164
5165 <sect2 id="rule-spec">
5166 <title>Specialisation
5167 </title>
5168
5169 <para>
5170 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5171 present in earlier versions of GHC.
5172 For example, suppose that:
5173
5174 <programlisting>
5175 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5176 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5177 </programlisting>
5178
5179 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5180 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5181 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5182 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5183 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5184 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5185 It used to be possible to write
5186
5187 <programlisting>
5188 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5189 </programlisting>
5190
5191 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5192
5193 <programlisting>
5194 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5195 </programlisting>
5196
5197 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5198 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5199 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5200 What is more, this rule does not need to be in the same
5201 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5202 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5203 have an original definition available to specialise).
5204 </para>
5205
5206 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5207 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5208 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5209
5210 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5211 specialisation will Win Big:
5212
5213 <programlisting>
5214 toDouble :: Real a => a -> Double
5215 toDouble = fromRational . toRational
5216
5217 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5218 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5219 </programlisting>
5220
5221 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5222 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5223 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5224 comparison.
5225 </para>
5226
5227 </sect2>
5228
5229 <sect2>
5230 <title>Controlling what's going on</title>
5231
5232 <para>
5233
5234 <itemizedlist>
5235 <listitem>
5236
5237 <para>
5238  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5239 </para>
5240 </listitem>
5241 <listitem>
5242
5243 <para>
5244  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5245 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5246 </para>
5247 </listitem>
5248 <listitem>
5249
5250 <para>
5251  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5252
5253 <programlisting>
5254         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5255         {-# INLINE build #-}
5256         build g = g (:) []
5257 </programlisting>
5258
5259 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5260 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5261 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5262 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5263
5264 </para>
5265 </listitem>
5266 <listitem>
5267
5268 <para>
5269  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5270 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5271 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5272 </para>
5273 </listitem>
5274
5275 </itemizedlist>
5276
5277 </para>
5278
5279 </sect2>
5280
5281 <sect2 id="core-pragma">
5282   <title>CORE pragma</title>
5283
5284   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5285   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5286   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5287
5288 <para>
5289   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5290   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5291   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5292   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5293   literal as an argument.  The following function definition shows an
5294   example:
5295
5296 <programlisting>
5297 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5298 </programlisting>
5299
5300   Semantically, this is equivalent to:
5301
5302 <programlisting>
5303 g x = show x
5304 </programlisting>
5305 </para>
5306
5307 <para>
5308   However, when external for is generated (via
5309   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5310   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5311   The core function declaration for <function>f</function> is:
5312 </para>
5313
5314 <programlisting>
5315   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5316                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5317     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5318         (%note "foo"
5319          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5320            {GHCziShow.ZCDShow
5321             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5322                    a ->
5323                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5324 r)
5325             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5326             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5327                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5328 r) ->
5329               tpl2})
5330         (%note "foo"
5331          eta);
5332 </programlisting>
5333
5334 <para>
5335   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5336   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5337   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5338   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5339   <varname>x</varname>).
5340 </para>
5341
5342 </sect2>
5343
5344 </sect1>
5345
5346 <sect1 id="generic-classes">
5347 <title>Generic classes</title>
5348
5349     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5350     GHC 5.02).</para>
5351
5352 <para>
5353 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5354 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5355 An example will give the idea:
5356 </para>
5357
5358 <programlisting>
5359   import Generics
5360
5361   class Bin a where
5362     toBin   :: a -> [Int]
5363     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5364   
5365     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5366     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5367     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5368     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5369   
5370     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5371     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5372     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5373     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5374                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5375 </programlisting>
5376 <para>
5377 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5378 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5379 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5380 </para>
5381 <programlisting>
5382   data Unit    = Unit
5383   data a :+: b = Inl a | Inr b
5384   data a :*: b = a :*: b
5385 </programlisting>
5386 <para>
5387 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5388 <programlisting>
5389   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5390   instance Bin a => Bin [a]
5391 </programlisting>
5392 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5393 where clause and over-ride whichever methods you please.
5394 </para>
5395
5396     <sect2>
5397       <title> Using generics </title>
5398       <para>To use generics you need to</para>
5399       <itemizedlist>
5400         <listitem>
5401           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5402                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5403                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5404                 available.  </para>
5405         </listitem>
5406         <listitem>
5407           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5408           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5409           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5410           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5411           don't need this import if you don't mention these types
5412           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5413           declarations.)</para>
5414         </listitem>
5415       </itemizedlist>
5416     </sect2>
5417
5418 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5419 <para>
5420 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5421 can be written infix (indeed, you can now use
5422 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5423 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5424 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5425 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5426 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5427 anticipate wanting).
5428 </para>
5429 </sect2>
5430
5431 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5432 <para>
5433 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5434 is one that is defined using type patterns as above.
5435 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5436 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5437 generic default method.
5438 </para>
5439
5440 <para>
5441 Restrictions:
5442 <itemizedlist>
5443 <listitem>
5444 <para>
5445 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5446 field labels.
5447 </para>
5448 </listitem>
5449
5450 <listitem>
5451 <para>
5452 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5453 multi-parameter class.
5454 </para>
5455 </listitem>
5456
5457 <listitem>
5458 <para>
5459 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5460 without.  So this is illegal:
5461 <programlisting>
5462   class Foo a where
5463     op :: a -> (a, Bool)
5464     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5465     op x               = (x,    False)
5466 </programlisting>
5467 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5468 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5469 </para>
5470 </listitem>
5471
5472 <listitem>
5473 <para>
5474 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5475 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:
5476 <programlisting>
5477   class Foo a where
5478     op :: a -> Bool
5479     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5480     ...
5481 </programlisting>
5482 </para>
5483 </listitem>
5484
5485 <listitem>
5486 <para>
5487 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5488 <programlisting>
5489        a :+: b
5490        a :*: b
5491        Unit
5492 </programlisting>
5493 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5494 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5495 must use the same type variables.  So this is illegal:
5496 <programlisting>
5497   class Foo a where
5498     op :: a -> Bool
5499     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5500     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5501 </programlisting>
5502 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5503 So this too is illegal:
5504 <programlisting>
5505   class Foo a where
5506     op1 :: a -> Bool
5507     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5508
5509     op2 :: a -> Bool
5510     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5511 </programlisting>
5512 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5513 into a single generic instance declaration.)
5514 </para>
5515 </listitem>
5516
5517 <listitem>
5518 <para>
5519 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5520 </para>
5521 </listitem>
5522
5523 <listitem>
5524 <para>
5525 The type for a generic method can be built only from:
5526   <itemizedlist>
5527   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5528   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5529   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5530   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5531   </itemizedlist>
5532 Here are some example type signatures for generic methods:
5533 <programlisting>
5534     op1 :: a -> Bool
5535     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5536     op3 :: [Int] -> a -> a
5537     op4 :: [a] -> Bool
5538 </programlisting>
5539 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5540 inside a list.  
5541 </para>
5542 <para>
5543 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5544 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5545 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5546 to the ones that are allowed.</para>
5547 </listitem>
5548
5549 <listitem>
5550 <para>
5551 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5552 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5553 do so if
5554   <itemizedlist>
5555   <listitem>
5556   <para>
5557   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5558   </para>
5559   </listitem>
5560   <listitem>
5561   <para>
5562   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5563   </para>
5564   </listitem>
5565   </itemizedlist>
5566 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5567 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5568 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5569 </para>
5570 </listitem>
5571
5572 </itemizedlist>
5573 </para>
5574
5575 <para>
5576 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5577 what the compiler does with generic declarations.
5578 </para>
5579
5580 </sect2>
5581
5582 <sect2> <title> Another example </title>
5583 <para>
5584 Just to finish with, here's another example I rather like:
5585 <programlisting>
5586   class Tag a where
5587     nCons :: a -> Int
5588     nCons {| Unit |}    _ = 1
5589     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5590     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5591   
5592     tag :: a -> Int
5593     tag {| Unit |}    _       = 1
5594     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5595     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5596     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5597 </programlisting>
5598 </para>
5599 </sect2>
5600 </sect1>
5601
5602
5603
5604 <!-- Emacs stuff:
5605      ;;; Local Variables: ***
5606      ;;; mode: xml ***
5607      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5608      ;;; End: ***
5609  -->
5610