4d7577d6bf2fcaf24800439645dadeb641e1332b
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
833                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
834                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
835 </para> </listitem>         
836
837       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
838           except that the translation is 
839               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
840 </para> </listitem>         
841
842           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
843               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
844 </para> </listitem>         
845
846           <listitem><para>The subtraction operation, and the
847           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
848               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
849               </para></listitem>
850
851               <listitem>
852                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
853                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
854                 patterns, and expressions.
855               </para></listitem>
856
857               <listitem>
858           <para>"Do" notation is translated using whatever
859               functions <literal>(>>=)</literal>,
860               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
861               are in scope (not the Prelude
862               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
863               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
864
865               <listitem>
866                 <para>Arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
872                 other constructs, the types of these functions must match the
873                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
874                 to use this, ask!
875               </para></listitem>
876             </itemizedlist>
877 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
878 even if that is a little unexpected. For emample, the 
879 static semantics of the literal <literal>368</literal>
880 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
881 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
882 <programlisting>
883 fromInteger :: Integer -> Integer
884 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
885 fromInteger :: Num a => a -> Integer
886 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
887 </programlisting>
888 </para>
889                 
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
932 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
959   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
960   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
961   parenthesised.  For example:
962 <programlisting>
963    type T (+) = Int + Int
964    f :: T Either
965    f = Left 3
966  
967    liftA2 :: Arrow (~>)
968           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
969    liftA2 = ...
970 </programlisting>
971   </para></listitem>
972 <listitem><para>
973   Back-quotes work
974   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
975   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
976   </para></listitem>
977 <listitem><para>
978   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
979   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
980   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
981 <screen>
982   infixl 7 T, :*:
983 </screen>
984   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
985   and similarly for <literal>:*:</literal>.
986   <literal>Int `a` Bool</literal>.
987   </para></listitem>
988 <listitem><para>
989   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
990   </para></listitem>
991
992 </itemizedlist>
993 </para>
994 </sect3>
995
996 <sect3 id="type-synonyms">
997 <title>Liberalised type synonyms</title>
998
999 <para>
1000 Type synonyms are like macros at the type level, and
1001 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1002 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1005 in a type synonym, thus:
1006 <programlisting>
1007   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1008
1009   f :: Discard a
1010   f x y = (x, show y)
1011
1012   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1013   g f = f Int True
1014 </programlisting>
1015 </para>
1016 </listitem>
1017
1018 <listitem><para>
1019 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1020 <programlisting>
1021   type Pr = (# Int, Int #)
1022
1023   h :: Int -> Pr
1024   h x = (# x, x #)
1025 </programlisting>
1026 </para></listitem>
1027
1028 <listitem><para>
1029 You can apply a type synonym to a forall type:
1030 <programlisting>
1031   type Foo a = a -> a -> Bool
1032  
1033   f :: Foo (forall b. b->b)
1034 </programlisting>
1035 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1036 <programlisting>
1037   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1038 </programlisting>
1039 </para></listitem>
1040
1041 <listitem><para>
1042 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1043 <programlisting>
1044   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1045   type Id x = x
1046   
1047   foo :: Generic Id []
1048 </programlisting>
1049 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1050 <programlisting>
1051   foo :: forall x. x -> [x]
1052 </programlisting>
1053 </para></listitem>
1054
1055 </itemizedlist>
1056 </para>
1057
1058 <para>
1059 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1060 could be changed.)
1061 </para>
1062 <para>
1063 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1064 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1065 <itemizedlist>
1066 <listitem><para>
1067 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1068 </para></listitem>
1069 <listitem><para>
1070 Unboxed tuple on left of an arrow.
1071 </para></listitem>
1072 <listitem><para>
1073 Partially-applied type synonym.
1074 </para></listitem>
1075 </itemizedlist>
1076 So, for example,
1077 this will be rejected:
1078 <programlisting>
1079   type Pr = (# Int, Int #)
1080
1081   h :: Pr -> Int
1082   h x = ...
1083 </programlisting>
1084 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1085 </para>
1086 </sect3>
1087
1088
1089 <sect3 id="existential-quantification">
1090 <title>Existentially quantified data constructors
1091 </title>
1092
1093 <para>
1094 The idea of using existential quantification in data type declarations
1095 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1096 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1097 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1098 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1099 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1100 It's been in Lennart
1101 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1102 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1103 </para>
1104
1105 <para>
1106
1107 <programlisting>
1108   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1109            | Nil
1110 </programlisting>
1111
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1116 </para>
1117
1118 <para>
1119
1120 <programlisting>
1121   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1122   Nil   :: Foo
1123 </programlisting>
1124
1125 </para>
1126
1127 <para>
1128 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1129 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1130 For example, the following expression is fine:
1131 </para>
1132
1133 <para>
1134
1135 <programlisting>
1136   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1137 </programlisting>
1138
1139 </para>
1140
1141 <para>
1142 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1143 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1144 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1145 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1150 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154
1155 <programlisting>
1156   f (MkFoo val fn) = ???
1157 </programlisting>
1158
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1163 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1164 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1165 </para>
1166
1167 <para>
1168
1169 <programlisting>
1170   f :: Foo -> Bool
1171   f (MkFoo val fn) = fn val
1172 </programlisting>
1173
1174 </para>
1175
1176 <para>
1177 What this allows us to do is to package heterogenous values
1178 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1179 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1180 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1181 </para>
1182
1183 <sect4 id="existential">
1184 <title>Why existential?
1185 </title>
1186
1187 <para>
1188 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1189 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193
1194 <programlisting>
1195   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1196 </programlisting>
1197
1198 </para>
1199
1200 <para>
1201 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1202 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1203 adding a new existential quantification construct.
1204 </para>
1205
1206 </sect4>
1207
1208 <sect4>
1209 <title>Type classes</title>
1210
1211 <para>
1212 An easy extension is to allow
1213 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1214 </para>
1215
1216 <para>
1217
1218 <programlisting>
1219 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1220          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1221 </programlisting>
1222
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226 The two constructors have the types you'd expect:
1227 </para>
1228
1229 <para>
1230
1231 <programlisting>
1232 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1233 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1234 </programlisting>
1235
1236 </para>
1237
1238 <para>
1239 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1240 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1241 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1242 So this program is legal:
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246
1247 <programlisting>
1248   f :: Baz -> String
1249   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1250                | otherwise = "No"
1251   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1252 </programlisting>
1253
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1258 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1259 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1260 extract it on pattern matching.
1261 </para>
1262
1263 <para>
1264 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1265 universal quantification earlier.
1266 </para>
1267
1268 </sect4>
1269
1270 <sect4>
1271 <title>Record Constructors</title>
1272
1273 <para>
1274 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1275
1276 <programlisting>
1277 data Counter a = forall self. NewCounter
1278     { _this    :: self
1279     , _inc     :: self -> self
1280     , _display :: self -> IO ()
1281     , tag      :: a
1282     }
1283 </programlisting>
1284 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1285 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1286 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1287 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1288 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1289 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1290 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1291 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1292 </para>
1293
1294 <para>
1295 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1296
1297 <programlisting>
1298 inc :: Counter a -> Counter a
1299 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1300     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1301
1302 display :: Counter a -> IO ()
1303 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1304 </programlisting>
1305
1306 Now we can define counters with different underlying implementations:
1307
1308 <programlisting>
1309 counterA :: Counter String 
1310 counterA = NewCounter
1311     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1312
1313 counterB :: Counter String 
1314 counterB = NewCounter
1315     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1316
1317 main = do
1318     display (inc counterA)         -- prints "1"
1319     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1320 </programlisting>
1321
1322 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1323 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1324 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1325
1326 <programlisting>
1327 data Counter a where
1328     NewCounter { _this    :: self
1329                , _inc     :: self -> self
1330                , _display :: self -> IO ()
1331                , tag      :: a
1332                }
1333         :: Counter a
1334 </programlisting>
1335
1336 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1337 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1338
1339 <programlisting>
1340 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1341 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1342 setTag obj t = obj{ tag = t }
1343 </programlisting>
1344
1345 </para>
1346
1347 </sect4>
1348
1349
1350 <sect4>
1351 <title>Restrictions</title>
1352
1353 <para>
1354 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1355 constructors can be use.
1356 </para>
1357
1358 <para>
1359
1360 <itemizedlist>
1361 <listitem>
1362
1363 <para>
1364  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1365 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1366 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1367 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1368
1369
1370 <programlisting>
1371 f1 (MkFoo a f) = a
1372 </programlisting>
1373
1374
1375 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1376 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1377 ask what type <function>f1</function> has:
1378
1379
1380 <programlisting>
1381   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1382 </programlisting>
1383
1384
1385 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1386 this:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1395
1396
1397 <programlisting>
1398   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1399 </programlisting>
1400
1401
1402 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1403 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1404 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1405
1406
1407 </para>
1408 </listitem>
1409 <listitem>
1410
1411 <para>
1412 You can't pattern-match on an existentially quantified
1413 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1414 bindings. So this is illegal:
1415
1416
1417 <programlisting>
1418   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1419 </programlisting>
1420
1421 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1422
1423 <programlisting>
1424   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1425 </programlisting>
1426
1427 In general, you can only pattern-match
1428 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1429 in the patterns of a function definition.
1430
1431 The reason for this restriction is really an implementation one.
1432 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1433 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1434 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1435 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1436 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1437 annoying it is.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1445 declarations.  So this is illegal:
1446
1447
1448 <programlisting>
1449   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1450 </programlisting>
1451
1452
1453 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1454 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1455 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1456 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1457 You can get just the same efficiency and effect by using
1458 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1459 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1460 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1461 because the <literal>data</literal> version does carry an
1462 implementation cost, but single-field existentially quantified
1463 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1464 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1465 are convincing reasons to change it.
1466
1467
1468 </para>
1469 </listitem>
1470 <listitem>
1471
1472 <para>
1473  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1474 data type with existentially quantified data constructors.
1475
1476 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1477
1478 <programlisting>
1479 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1480 </programlisting>
1481
1482 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1483 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1484
1485 <programlisting>
1486 instance Eq T where
1487   (MkT a) == (MkT b) = ???
1488 </programlisting>
1489
1490 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1491 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1492 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1493 declarations.  Define your own instances!
1494 </para>
1495 </listitem>
1496
1497 </itemizedlist>
1498
1499 </para>
1500
1501 </sect4>
1502 </sect3>
1503
1504 </sect2>
1505
1506
1507
1508 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1509 <title>Class declarations</title>
1510
1511 <para>
1512 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1513 There's lots of background in the paper <ulink
1514 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1515 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1516 Jones, Erik Meijer).
1517 </para>
1518 <para>
1519 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1520 </para>
1521
1522 <sect3>
1523 <title>Multi-parameter type classes</title>
1524 <para>
1525 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1526
1527
1528 <programlisting>
1529   class Collection c a where
1530     union :: c a -> c a -> c a
1531     ...etc.
1532 </programlisting>
1533
1534 </para>
1535 </sect3>
1536
1537 <sect3>
1538 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1539
1540 <para>
1541 There are no restrictions on the context in a class declaration
1542 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1543 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1544
1545
1546 <programlisting>
1547   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1548     ...
1549
1550   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1551     lift :: m a -> (t m) a
1552 </programlisting>
1553
1554
1555 </para>
1556 <para>
1557 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1558 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1559 this is OK:
1560
1561
1562 <programlisting>
1563   class C a where {
1564     op :: D b => a -> b -> b
1565   }
1566
1567   class C a => D a where { ... }
1568 </programlisting>
1569
1570
1571 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1572 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1573 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1574 </para>
1575 </sect3>
1576
1577
1578
1579
1580 <sect3 id="class-method-types">
1581 <title>Class method types</title>
1582
1583 <para>
1584 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1585 class type variable, thus:
1586 <programlisting>
1587   class Seq s a where
1588     fromList :: [a] -> s a
1589     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1590 </programlisting>
1591 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1592 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1593 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1594 GHC lifts this restriction.
1595 </para>
1596
1597
1598 </sect3>
1599
1600
1601 <sect3 id="functional-dependencies">
1602 <title>Functional dependencies
1603 </title>
1604
1605 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1606 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1607 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1608 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1609 .
1610 </para>
1611 <para>
1612 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1613 class declaration;  e.g. 
1614 <programlisting>
1615   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1616
1617   class Foo a b c | a b -> c where ...
1618 </programlisting>
1619 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1620 </para>
1621 <para>
1622 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1623 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1624 from the free variables of each method type.
1625 For example:
1626
1627 <programlisting>
1628   class Coll s a where
1629     empty  :: s
1630     insert :: s -> a -> s
1631 </programlisting>
1632
1633 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1634 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1635 reachable:
1636 <programlisting>
1637   class Coll s a | s -> a where
1638     empty  :: s
1639     insert :: s -> a -> s
1640 </programlisting>
1641
1642 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1643
1644 <programlisting>
1645   class Coll s a where
1646     empty  :: s a
1647     insert :: s a -> a -> s a
1648 </programlisting>
1649
1650
1651 which makes the connection between the type of a collection of
1652 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1653 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1654 class like this:
1655
1656
1657 <programlisting>
1658   class CollE s where
1659     empty  :: s
1660
1661   class CollE s => Coll s a where
1662     insert :: s -> a -> s
1663 </programlisting>
1664 </para>
1665 </sect3>
1666
1667
1668
1669
1670
1671 </sect2>
1672
1673 <sect2 id="instance-decls">
1674 <title>Instance declarations</title>
1675
1676 <sect3 id="instance-heads">
1677 <title>Instance heads</title>
1678
1679 <para>
1680 The <emphasis>head</emphasis> of an instance declaration is the part to the
1681 right of the "<literal>=&gt;</literal>".  In Haskell 98 the head of an instance
1682 declaration
1683 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1684 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1685 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1686 </para>
1687 <para>
1688 The <option>-fglasgow-exts</option> flag lifts this restriction and allows the
1689 instance head to be of form <literal>C t1 ... tn</literal> where <literal>t1
1690 ... tn</literal> are arbitrary types (provided, of course, everything is
1691 well-kinded).  In particular, types <literal>ti</literal> can be type variables
1692 or structured types, and can contain repeated occurrences of a single type
1693 variable.
1694 Examples:
1695 <programlisting>
1696   instance Eq (T a a) where ...
1697         -- Repeated type variable
1698
1699   instance Eq (S [a]) where ...
1700         -- Structured type
1701
1702   instance C Int [a] where ...
1703         -- Multiple parameters
1704 </programlisting>
1705 </para>
1706 </sect3>
1707
1708 <sect3 id="instance-overlap">
1709 <title>Overlapping instances</title>
1710 <para>
1711 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1712 declaration
1713 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1714 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1715 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1716 </primary></indexterm> 
1717 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1718 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1719 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1720 <para>
1721 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1722 it tries to match every instance declaration against the
1723 constraint,
1724 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1725 these declarations:
1726 <programlisting>
1727   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1728   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1729   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1730   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1731 </programlisting>
1732 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
1733 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1734 no account of the context of the instance declaration
1735 (<literal>context1</literal> etc).
1736 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1737 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1738 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1739 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1740 particular constraint matches more than one.
1741 </para>
1742
1743 <para>
1744 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1745 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1746 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1747 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1748 most-specific match, the program is rejected.
1749 </para>
1750 <para>
1751 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1752 <programlisting>
1753   f :: [b] -> [b]
1754   f x = ...
1755 </programlisting>
1756 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1757 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1758 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1759 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1760 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1761 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1762 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1763 the problem of subsequent instantiations.
1764 </para>
1765 <para>
1766 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
1767 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
1768 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
1769 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
1770 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
1771 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
1772 <itemizedlist>
1773 <listitem><para>
1774 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
1775 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
1776 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
1777 more-specific instance does not matter.
1778 </para></listitem>
1779 <listitem><para>
1780 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
1781 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
1782 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
1783 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
1784 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
1785 check for that declaration.
1786 </para></listitem>
1787 </itemizedlist>
1788 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
1789 overlapping instances without the library client having to know.
1790 </para>
1791 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
1792 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
1793 </para>
1794 </sect3>
1795
1796 <sect3>
1797 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1798
1799 <para>
1800 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1801 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1802 As always, using a type synonym is just shorthand for
1803 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1804
1805
1806 <programlisting>
1807   type Point = (Int,Int)
1808   instance C Point   where ...
1809   instance C [Point] where ...
1810 </programlisting>
1811
1812
1813 is legal.  However, if you added
1814
1815
1816 <programlisting>
1817   instance C (Int,Int) where ...
1818 </programlisting>
1819
1820
1821 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1822 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1823 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1824
1825
1826 <programlisting>
1827   type P a = [[a]]
1828   instance Monad P where ...
1829 </programlisting>
1830
1831
1832 This design decision is independent of all the others, and easily
1833 reversed, but it makes sense to me.
1834
1835 </para>
1836 </sect3>
1837
1838 <sect3 id="undecidable-instances">
1839 <title>Undecidable instances</title>
1840
1841 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1842 <orderedlist>
1843 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1844 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1845 For example, these are OK:
1846
1847 <programlisting>
1848   instance C Int a where ...
1849
1850   instance D (Int, Int) where ...
1851
1852   instance E [[a]] where ...
1853 </programlisting>
1854 but this is not:
1855 <programlisting>
1856   instance F a where ...
1857 </programlisting>
1858 Note that instance heads may contain repeated type variables (<xref linkend="instance-heads"/>).
1859 For example, this is OK:
1860 <programlisting>
1861   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1862 </programlisting>
1863 </para>
1864 </listitem>
1865
1866
1867 <listitem>
1868 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1869 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables, and
1870 there must be no repeated type variables in any one constraint.
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 (because of the non-type-variable <literal>Int</literal> in the context), and nor is
1880 <programlisting>
1881 instance C b b => Foo [b] where ...
1882 </programlisting>
1883 (because of the repeated type variable).
1884 </para>
1885 </listitem>
1886 </orderedlist>
1887 These restrictions ensure that 
1888 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1889 constructor.  For example, the following would make the type checker
1890 loop if it wasn't excluded:
1891 <programlisting>
1892   instance C a => C a where ...
1893 </programlisting>
1894 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1895 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1896 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1897 something more specific does not:
1898
1899
1900 <programlisting>
1901   instance C a where
1902     op = ... -- Default
1903 </programlisting>
1904
1905
1906 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1907 effect of a "class synonym":
1908
1909
1910 <programlisting>
1911   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1912
1913   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1914 </programlisting>
1915
1916
1917 This allows you to write shorter signatures:
1918
1919
1920 <programlisting>
1921   f :: C a => ...
1922 </programlisting>
1923
1924
1925 instead of
1926
1927
1928 <programlisting>
1929   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1930 </programlisting>
1931
1932
1933 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1934 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1935 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1936 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1937 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1938 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1939 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1940 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1941 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1942 </para>
1943 <para>
1944 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1945 allowing these idioms interesting idioms.  
1946 </para>
1947 </sect3>
1948
1949
1950 </sect2>
1951
1952 <sect2 id="type-restrictions">
1953 <title>Type signatures</title>
1954
1955 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1956 <para>
1957 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1958 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1959 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1960 these type signatures are perfectly OK
1961 <programlisting>
1962   g :: Eq [a] => ...
1963   g :: Ord (T a ()) => ...
1964 </programlisting>
1965 </para>
1966 <para>
1967 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1968 Consider the type:
1969
1970 <programlisting>
1971   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1972 </programlisting>
1973
1974 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1975 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1976 explicit source-language type signature are universally quantified,
1977 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1978 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1979 </para>
1980
1981 <para>
1982
1983 <orderedlist>
1984 <listitem>
1985
1986 <para>
1987  <emphasis>Each universally quantified type variable
1988 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1989
1990 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1991 in the same constraint as either a type variable free in in
1992 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1993 A value with a type that does not obey 
1994 this reachability restriction cannot be used without introducing
1995 ambiguity; that is why the type is rejected.
1996 Here, for example, is an illegal type:
1997
1998
1999 <programlisting>
2000   forall a. Eq a => Int
2001 </programlisting>
2002
2003
2004 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2005 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2006 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2007 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2008 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2009 get any more information about <literal>tv</literal>.
2010 </para>
2011 <para>
2012 Note
2013 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2014 functionally dependent on a type variable free in
2015 <literal>type</literal> (see <xref
2016 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2017 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2018 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2019 For example, consider:
2020 <programlisting>
2021   class C a b | a -> b where ...
2022   class C a b => D a b where ...
2023   f :: forall a b. D a b => a -> a
2024 </programlisting>
2025 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2026 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2027 </para>
2028 </listitem>
2029 <listitem>
2030
2031 <para>
2032  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2033 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2034
2035 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2036 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2037
2038
2039 <programlisting>
2040   forall a. C a b => burble
2041 </programlisting>
2042
2043
2044 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2045 mention <literal>a</literal>:
2046
2047
2048 <programlisting>
2049   forall a. Eq b => burble
2050 </programlisting>
2051
2052
2053 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2054 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2055 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2056 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2057 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2058 territory free in case we need it later.
2059
2060 </para>
2061 </listitem>
2062
2063 </orderedlist>
2064
2065 </para>
2066 </sect3>
2067
2068 <sect3 id="hoist">
2069 <title>For-all hoisting</title>
2070 <para>
2071 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2072 end of an arrow, thus:
2073 <programlisting>
2074   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2075
2076   g :: Int -> Discard Int
2077   g x y z = x+y
2078 </programlisting>
2079 Simply expanding the type synonym would give
2080 <programlisting>
2081   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2082 </programlisting>
2083 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2084 <programlisting>
2085   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2086 </programlisting>
2087 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2088 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2089 performs the transformation:</emphasis>
2090 <programlisting>
2091   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2092 ==>
2093   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2094 </programlisting>
2095 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2096 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2097 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2098 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2099 <programlisting>
2100   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2101 </programlisting>
2102 </para>
2103 <para>
2104 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2105 example:
2106 <programlisting>
2107   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2108   g :: Foo (Foo Int)
2109 </programlisting>
2110 means
2111 <programlisting>
2112   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2113 </programlisting>
2114 </para>
2115 </sect3>
2116
2117
2118 </sect2>
2119
2120 <sect2 id="implicit-parameters">
2121 <title>Implicit parameters</title>
2122
2123 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2124 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2125 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2126 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2127 Boston, Jan 2000.
2128 </para>
2129
2130 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2131 due to Jeff Lewis.)</para>
2132
2133 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2134 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2135
2136 <para>
2137 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2138 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2139 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2140 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2141 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2142 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2143 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2144 only support static scoping of variables.
2145 </para>
2146 <para>
2147 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2148 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2149 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2150 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2151 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2152 of type <literal>t'</literal>". For
2153 example, the following expresses the type of a sort function,
2154 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2155 <programlisting>
2156   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2157 </programlisting>
2158 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2159 </para>
2160 <para>
2161 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2162 where <literal>x</literal> is
2163 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2164 Use of this construct also introduces a new
2165 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2166 For example, the following definition
2167 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2168 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2169 <programlisting>
2170   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2171
2172   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2173   sort    = sortBy ?cmp
2174 </programlisting>
2175 </para>
2176
2177 <sect3>
2178 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2179 <para>
2180 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2181 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2182 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2183 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2184 to pick out the least value in a list:
2185 <programlisting>
2186   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2187   least xs = fst (sort xs)
2188 </programlisting>
2189 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2190 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2191 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2192 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2193 propagate them.
2194 </para>
2195 <para>
2196 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2197 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2198 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2199 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2200 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2201 class constraints.
2202 </para>
2203
2204 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2205 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2206 <programlisting>
2207   class (?x::Int) => C a where ...
2208   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2209 </programlisting>
2210 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2211 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2212 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2213 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2214 <para>
2215 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2216 <programlisting>
2217    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2218    f n = n + length ?x
2219
2220    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2221    g s = show (read s)
2222 </programlisting>
2223 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2224 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2225 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2226 </para>
2227 </sect3>
2228
2229 <sect3>
2230 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2231
2232 <para>
2233 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2234 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2235 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2236 <literal>cmp</literal>.
2237 <programlisting>
2238   min :: [a] -> a
2239   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2240 </programlisting>
2241 </para>
2242 <para>
2243 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2244 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2245 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2246 or a <literal>where</literal> clause.
2247 Note the following points:
2248 <itemizedlist>
2249 <listitem><para>
2250 An implicit-parameter binding group must be a
2251 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2252 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2253 neither polymorphic or recursive.  
2254 </para></listitem>
2255 <listitem><para>
2256 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2257 single <literal>let</literal>
2258 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2259 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2260 </para></listitem>
2261
2262 <listitem><para>
2263 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2264 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2265 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2266 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2267 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2268 the meaning of the program.
2269 For example, consider:
2270 <programlisting>
2271   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2272 </programlisting>
2273 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2274 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2275 <programlisting>
2276   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2277 </programlisting>
2278 </para></listitem>
2279 </itemizedlist>
2280 </para>
2281
2282 </sect3>
2283
2284 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2285
2286 <para>
2287 Consider these two definitions:
2288 <programlisting>
2289   len1 :: [a] -> Int
2290   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2291
2292   len_acc1 [] = ?acc
2293   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2294
2295   ------------
2296
2297   len2 :: [a] -> Int
2298   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2299
2300   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2301   len_acc2 [] = ?acc
2302   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2303 </programlisting>
2304 The only difference between the two groups is that in the second group
2305 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2306 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2307 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2308 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2309 has a type signature, the recursive call is made to the
2310 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2311 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2312 <programlisting>
2313   Prog> len1 "hello"
2314   0
2315   Prog> len2 "hello"
2316   5
2317 </programlisting>
2318 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2319 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2320 </para>
2321 </sect3>
2322
2323 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2324
2325 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2326 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2327 <programlisting>
2328  f :: Int -> Int
2329   f v = let ?x = 0     in
2330         let y = ?x + v in
2331         let ?x = 5     in
2332         y
2333 </programlisting>
2334 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2335 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2336 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2337 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2338 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2339 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2340 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2341 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2342 <literal>14</literal>.
2343 </para>
2344 </sect3>
2345 </sect2>
2346
2347 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2348 <title>Linear implicit parameters</title>
2349 <para>
2350 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2351 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2352 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2353 </para>
2354 <itemizedlist>
2355 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2356 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2357 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2358 </itemizedlist>
2359
2360 <para>
2361 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2362 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2363 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2364 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2365 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2366 </para>
2367 <para>
2368 For example:
2369 <programlisting>
2370     import GHC.Exts( Splittable )
2371
2372     data NameSupply = ...
2373     
2374     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2375     newName :: NameSupply -> Name
2376
2377     instance Splittable NameSupply where
2378         split = splitNS
2379
2380
2381     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2382     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2383                     where
2384                       x'   = newName %ns
2385                       env' = extend env x x'
2386     ...more equations for f...
2387 </programlisting>
2388 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2389 <itemizedlist>
2390 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2391 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2392 </itemizedlist>
2393 </para>
2394 <para>
2395 So the translation done by the type checker makes
2396 the parameter explicit:
2397 <programlisting>
2398     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2399     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2400                        where
2401                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2402                          x' = newName ns2
2403                          env = extend env x x'
2404 </programlisting>
2405 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2406 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2407 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2408 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2409 <programlisting>
2410         class Splittable a where
2411           split :: a -> (a,a)
2412 </programlisting>
2413 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2414 split for name supplies.  But we can simply write
2415 <programlisting>
2416         g x = (x, %ns, %ns)
2417 </programlisting>
2418 and GHC will infer
2419 <programlisting>
2420         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2421 </programlisting>
2422 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2423 <literal>GHC.Exts</literal>.
2424 </para>
2425 <para>
2426 Other points:
2427 <itemizedlist>
2428 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2429 are entirely distinct implicit parameters: you 
2430   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2431 </listitem>
2432
2433 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2434
2435 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2436   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2437 </itemizedlist>
2438 </para>
2439
2440 <sect3><title>Warnings</title>
2441
2442 <para>
2443 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2444 Consider the example above:
2445 <programlisting>
2446     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2447     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2448                     where
2449                       x'   = newName %ns
2450                       env' = extend env x x'
2451 </programlisting>
2452 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2453 usually a harmless thing to do, we get:
2454 <programlisting>
2455     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2456     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2457                     where
2458                       env' = extend env x (newName %ns)
2459 </programlisting>
2460 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2461 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2462 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2463 the beta rule.
2464 </para>
2465 <para>
2466 Well, this is an experimental change.  With implicit
2467 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2468 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2469 Haskell programs without knowing their typing.
2470 </para>
2471
2472 </sect3>
2473
2474 <sect3><title>Recursive functions</title>
2475 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2476 Consider
2477 <programlisting>
2478         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2479         foo 0 = []
2480         foo n = %x : foo (n-1)
2481 </programlisting>
2482 where T is some type in class Splittable.</para>
2483 <para>
2484 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2485 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2486 </para><para>
2487 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2488 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2489 translated term, where the implicit param is made explicit:
2490 <programlisting>
2491         foo x 0 = []
2492         foo x n = let (x1,x2) = split x
2493                   in x1 : foo x2 (n-1)
2494 </programlisting>
2495 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2496 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2497 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2498 work.  So the translation becomes
2499 <programlisting>
2500         foo x = let
2501                   foom 0 = []
2502                   foom n = x : foom (n-1)
2503                 in
2504                 foom
2505 </programlisting>
2506 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2507 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2508 Yikes!
2509 </para><para>
2510 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2511 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2512 </para>
2513 </sect3>
2514
2515 </sect2>
2516
2517 <sect2 id="sec-kinding">
2518 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2519
2520 <para>
2521 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2522 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2523 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2524 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2525 John Hughes had to define the data type:
2526 <screen>
2527      data Set cxt a = Set [a]
2528                     | Unused (cxt a -> ())
2529 </screen>
2530 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2531 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2532 </para>
2533 <para>
2534 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2535 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2536 <itemizedlist>
2537 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2538 <screen>
2539   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2540 </screen></para></listitem>
2541 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2542 <screen>
2543   type T (f :: * -> *) = f Int
2544 </screen></para></listitem>
2545 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2546 <screen>
2547   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2548 </screen></para></listitem>
2549 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2550 <screen>
2551   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2552 </screen></para></listitem>
2553 </itemizedlist>
2554 </para>
2555
2556 <para>
2557 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2558 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2559 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2560 single lexeme in Haskell.
2561 </para>
2562
2563 <para>
2564 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2565 as well.  Thus:
2566 <screen>
2567    f :: (Int :: *) -> Int
2568    g :: forall a. a -> (a :: *)
2569 </screen>
2570 The syntax is
2571 <screen>
2572    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2573 </screen>
2574 The parentheses are required.
2575 </para>
2576 </sect2>
2577
2578
2579 <sect2 id="universal-quantification">
2580 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2581 </title>
2582
2583 <para>
2584 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2585 allows us to say exactly what this means.  For example:
2586 </para>
2587 <para>
2588 <programlisting>
2589         g :: b -> b
2590 </programlisting>
2591 means this:
2592 <programlisting>
2593         g :: forall b. (b -> b)
2594 </programlisting>
2595 The two are treated identically.
2596 </para>
2597
2598 <para>
2599 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2600 explicit universal quantification in
2601 types. 
2602 For example, all the following types are legal:
2603 <programlisting>
2604     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2605     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2606
2607     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2608     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2609
2610     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2611 </programlisting>
2612 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2613 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2614 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2615 is implicitly added by Haskell.
2616 </para>
2617 <para>
2618 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2619 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2620 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2621 </para>
2622 <para>
2623 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2624 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2625 </para>
2626 <para>
2627 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2628 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2629 that restriction has now been lifted.)
2630 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2631 including an operational type class context, is legal:
2632 <itemizedlist>
2633 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2634 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2635 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2636 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2637 field type signatures.</para> </listitem>
2638 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2639 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2640 </itemizedlist>
2641 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2642 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2643 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2644 <programlisting>
2645     x1 :: [forall a. a->a]
2646     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2647     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2648 </programlisting>
2649 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2650 a type variable any more!
2651 </para>
2652
2653
2654 <sect3 id="univ">
2655 <title>Examples
2656 </title>
2657
2658 <para>
2659 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2660 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2661 </para>
2662
2663 <para>
2664
2665 <programlisting>
2666 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2667
2668 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2669                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2670                         }
2671
2672 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2673 </programlisting>
2674
2675 </para>
2676
2677 <para>
2678 The constructors have rank-2 types:
2679 </para>
2680
2681 <para>
2682
2683 <programlisting>
2684 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2685 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2686                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2687                   -> MonadT m
2688 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2689 </programlisting>
2690
2691 </para>
2692
2693 <para>
2694 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2695 explicit context.  For example in the first argument of the
2696 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2697 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2698 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2699 mentioned in the type quantified over.
2700 </para>
2701
2702 <para>
2703 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2704 types too.  So if you write this:
2705
2706 <programlisting>
2707   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2708 </programlisting>
2709
2710 it's just as if you had written this:
2711
2712 <programlisting>
2713   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2714 </programlisting>
2715
2716 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2717 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2718 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2719 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2720 </para>
2721
2722 <para>
2723 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2724 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2725 </para>
2726
2727 <para>
2728
2729 <programlisting>
2730     a1 :: T Int
2731     a1 = T1 (\xy->x) 3
2732     
2733     a2, a3 :: Swizzle
2734     a2 = MkSwizzle sort
2735     a3 = MkSwizzle reverse
2736     
2737     a4 :: MonadT Maybe
2738     a4 = let r x = Just x
2739              b m k = case m of
2740                        Just y -> k y
2741                        Nothing -> Nothing
2742          in
2743          MkMonad r b
2744
2745     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2746     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2747 </programlisting>
2748
2749 </para>
2750
2751 <para>
2752 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2753 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2754 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2755 </para>
2756
2757 <para>
2758 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2759 polymorphic types.  For example:
2760 </para>
2761
2762 <para>
2763
2764 <programlisting>
2765     f :: T a -> a -> (a, Char)
2766     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2767
2768     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2769     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2770
2771     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2772     h m [] = return m []
2773     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2774                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2775                  return m (y:ys)
2776 </programlisting>
2777
2778 </para>
2779
2780 <para>
2781 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2782 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2783 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2784 matching.
2785 </para>
2786 </sect3>
2787
2788 <sect3>
2789 <title>Type inference</title>
2790
2791 <para>
2792 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2793 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2794 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2795 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2796 </para>
2797 <para>
2798 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2799 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2800 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2801 </para>
2802 <para>
2803 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2804 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2805 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2806 <programlisting>
2807      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2808 </programlisting>
2809 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2810 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2811 <programlisting>
2812      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2813 </programlisting>
2814 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2815 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2816 one can give a type signature for the function itself:
2817 <programlisting>
2818      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2819      h f = (f True, f 'c')
2820 </programlisting>
2821 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2822 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2823 <programlisting>
2824     f :: T a -> a -> (a, Char)
2825     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2826 </programlisting>
2827 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2828 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2829 it needs to know.
2830 </para>
2831
2832 </sect3>
2833
2834
2835 <sect3 id="implicit-quant">
2836 <title>Implicit quantification</title>
2837
2838 <para>
2839 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2840 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2841 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2842 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2843 equivalent:
2844 <programlisting>
2845   f :: a -> a
2846   f :: forall a. a -> a
2847
2848   g (x::a) = let
2849                 h :: a -> b -> b
2850                 h x y = y
2851              in ...
2852   g (x::a) = let
2853                 h :: forall b. a -> b -> b
2854                 h x y = y
2855              in ...
2856 </programlisting>
2857 </para>
2858 <para>
2859 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2860 point.  For example:
2861 <programlisting>
2862   f :: (a -> a) -> Int
2863            -- MEANS
2864   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2865            -- NOT
2866   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2867
2868
2869   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2870            -- MEANS the illegal type
2871   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2872            -- NOT
2873   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2874 </programlisting>
2875 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2876 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2877 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2878 for rank-2 types.
2879 </para>
2880 </sect3>
2881 </sect2>
2882
2883
2884
2885
2886 <sect2 id="scoped-type-variables">
2887 <title>Scoped type variables
2888 </title>
2889
2890 <para>
2891 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2892 <itemizedlist>
2893 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2894 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2895 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2896 </itemizedlist>
2897 For example:
2898 <programlisting>
2899 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2900            where
2901               ys :: [a]
2902               ys = reverse xs
2903 </programlisting>
2904 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2905 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2906 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2907 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2908 </para>
2909
2910 <para>
2911 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2912 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2913 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2914 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2915 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2916 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2917 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2918 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2919 it becomes possible to do so.
2920 </para>
2921
2922 <para>
2923 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2924 implementations differ from the specification below, those differences
2925 are noted.
2926 </para>
2927
2928 <para>
2929 So much for the basic idea.  Here are the details.
2930 </para>
2931
2932 <sect3>
2933 <title>What a scoped type variable means</title>
2934 <para>
2935 A lexically-scoped type variable is simply
2936 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2937 of the same name mean the same type.  For example:
2938 <programlisting>
2939   f :: [Int] -> Int -> Int
2940   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2941 </programlisting>
2942 The pattern type signatures on the left hand side of
2943 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2944 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2945 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2946 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2947 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2948 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2949 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2950 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2951 For example, all of these are legal:</para>
2952
2953 <programlisting>
2954   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2955
2956   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2957
2958   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2959
2960   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2961         in k x                  -- environment
2962
2963   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2964   k (x::Int) False = ...
2965
2966   w :: [b] -> [b]
2967   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2968 </programlisting>
2969
2970 </sect3>
2971
2972 <sect3>
2973 <title>Scope and implicit quantification</title>
2974
2975 <para>
2976
2977 <itemizedlist>
2978 <listitem>
2979
2980 <para>
2981 All the type variables mentioned in a pattern,
2982 that are not already in scope,
2983 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2984 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2985 For example:
2986 <programlisting>
2987   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2988              in
2989              g (x,True)
2990 </programlisting>
2991 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2992 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2993 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2994 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2995 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2996 </para>
2997 </listitem>
2998
2999 <listitem>
3000 <para>
3001 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
3002 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
3003 <programlisting>
3004   let
3005     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3006     (p::b, q::b) = (1,2)
3007   in &lt;...body of let...>
3008 </programlisting>
3009 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3010 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3011 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3012 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3013 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3014 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3015 </para>
3016 </listitem>
3017
3018
3019 <listitem>
3020 <para>
3021 The type variables bound by the pattern may be 
3022 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3023 type signatures anywhere within their scope.
3024
3025 </para>
3026 </listitem>
3027
3028 <listitem>
3029 <para>
3030  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3031 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3032
3033 </para>
3034 </listitem>
3035
3036 <listitem>
3037
3038 <para>
3039  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3040 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3041
3042 <programlisting>
3043   f :: a -> a
3044   f x = x::a
3045 </programlisting>
3046
3047 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3048 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3049 and that is an incorrect typing.
3050
3051 </para>
3052 </listitem>
3053
3054 <listitem>
3055 <para>
3056 The pattern type signature is a monotype:
3057 </para>
3058
3059 <itemizedlist>
3060 <listitem> <para> 
3061 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3062 </para> </listitem>
3063
3064 <listitem>  <para> 
3065 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3066 not to type schemes.
3067 </para> </listitem>
3068
3069 <listitem>  <para> 
3070 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3071 ordinary type signatures).
3072 </para> </listitem>
3073
3074 </itemizedlist>
3075
3076 </listitem>
3077
3078 <listitem>
3079 <para>
3080
3081 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3082 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3083
3084
3085 <programlisting>
3086   class C a where
3087     op :: [a] -> a
3088
3089     op xs = let ys::[a]
3090                 ys = reverse xs
3091             in
3092             head ys
3093 </programlisting>
3094
3095
3096 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3097 </para>
3098 </listitem>
3099
3100 </itemizedlist>
3101
3102 </para>
3103
3104 </sect3>
3105
3106 <sect3 id="decl-type-sigs">
3107 <title>Declaration type signatures</title>
3108 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3109 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3110 explicitly-quantified
3111 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3112 <programlisting>
3113   f :: forall a. [a] -> [a]
3114   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3115 </programlisting>
3116 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3117 the definition of "<literal>f</literal>".
3118 </para>
3119 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3120 signature is explicit.  For example:
3121 <programlisting>
3122   g :: [a] -> [a]
3123   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3124 </programlisting>
3125 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3126 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3127 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3128 quantification rules.
3129 </para>
3130 </sect3>
3131
3132 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3133 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3134
3135 <para>
3136 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3137 <itemizedlist>
3138
3139 <listitem>
3140 <para>
3141 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3142 just on a variable:
3143
3144
3145 <programlisting>
3146   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3147 </programlisting>
3148
3149
3150 </para>
3151 </listitem>
3152 <listitem>
3153
3154 <para>
3155  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3156 in lambda abstractions:
3157
3158 <programlisting>
3159   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3160 </programlisting>
3161 </para>
3162 </listitem>
3163 <listitem>
3164
3165 <para>
3166  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3167 in <literal>case</literal> expressions:
3168
3169 <programlisting>
3170   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3171 </programlisting>
3172
3173 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3174 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3175 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3176 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3177 arrow and give a parse error later.
3178
3179 </para>
3180
3181 </listitem>
3182
3183 <listitem>
3184 <para>
3185 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3186 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3187 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3188 consider how one would parse this:
3189
3190
3191 <programlisting>
3192   \ x :: a -> b -> x
3193 </programlisting>
3194
3195
3196 </para>
3197 </listitem>
3198
3199 <listitem>
3200
3201 <para>
3202  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3203 For example:
3204
3205
3206 <programlisting>
3207   data T = forall a. MkT [a]
3208
3209   f :: T -> T
3210   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3211                  where
3212                    t3::[a] = [t,t,t]
3213 </programlisting>
3214
3215
3216 </para>
3217 </listitem>
3218
3219
3220 <listitem>
3221
3222 <para>
3223 Pattern type signatures 
3224 can be used in pattern bindings:
3225
3226 <programlisting>
3227   f x = let (y, z::a) = x in ...
3228   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3229   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3230   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3231 </programlisting>
3232
3233 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3234 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3235 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3236 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3237 In contrast, the binding
3238 <programlisting>
3239   f4 :: b->b
3240   f4 = \x -> x
3241 </programlisting>
3242 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3243 in <literal>f4</literal>'s scope.
3244
3245 </para>
3246 </listitem>
3247 </itemizedlist>
3248 </para>
3249 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3250 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3251
3252 </sect3>
3253
3254 <sect3 id="result-type-sigs">
3255 <title>Result type signatures</title>
3256
3257 <para>
3258 The result type of a function can be given a signature, thus:
3259
3260
3261 <programlisting>
3262   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3263 </programlisting>
3264
3265
3266 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3267 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3268 you want:
3269
3270
3271 <programlisting>
3272   f :: Int -> [a] -> [a]
3273   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3274                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3275 </programlisting>
3276
3277 </para>
3278 <para>
3279 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3280 of the definition. However, consider this corner-case:
3281 <programlisting>
3282   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3283
3284   foo ys = rev (ys::[a])
3285 </programlisting>
3286 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3287 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3288 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3289 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3290 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3291 </para>
3292 <para>
3293 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3294 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3295 is polymorphic:
3296 <programlisting>
3297   rev1 :: [b] -> [b]
3298   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3299 </programlisting>
3300 </para>
3301
3302 <para>
3303 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3304 </para>
3305
3306 </sect3>
3307
3308 </sect2>
3309
3310 <sect2 id="deriving-typeable">
3311 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3312
3313 <para>
3314 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3315 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3316 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3317 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3318 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3319 </para>
3320 <para>
3321 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3322 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3323 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3324 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3325 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3326 </para>
3327 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3328 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3329 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3330 described in
3331 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3332 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3333 </ulink>.
3334 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3335 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3336 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3337 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3338 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3339 then writing the data type instance by hand.
3340 </para>
3341 </sect2>
3342
3343 <sect2 id="newtype-deriving">
3344 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3345
3346 <para>
3347 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3348 the new type to inherit some instances from its representation. In
3349 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3350 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3351 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3352 example, if you define
3353
3354 <programlisting> 
3355   newtype Dollars = Dollars Int 
3356 </programlisting> 
3357
3358 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3359 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3360
3361 <programlisting> 
3362   instance Num Dollars where
3363     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3364     ...
3365 </programlisting>
3366 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3367 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3368 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3369 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3370 dictionary, only slower!
3371 </para>
3372
3373
3374 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3375 <para>
3376 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3377 <programlisting> 
3378   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3379 </programlisting> 
3380
3381 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3382 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3383 derives an instance declaration of the form
3384
3385 <programlisting> 
3386   instance Num Int => Num Dollars
3387 </programlisting> 
3388
3389 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3390 </para>
3391 <para>
3392
3393 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3394 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3395 transformers, such that
3396
3397 <programlisting> 
3398   instance Monad m => Monad (State s m) 
3399   instance Monad m => Monad (Failure m)
3400 </programlisting> 
3401 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3402 <programlisting> 
3403   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3404 </programlisting> 
3405
3406 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3407 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3408 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3409
3410 <programlisting> 
3411   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3412                          deriving Monad
3413 </programlisting>
3414 In this case the derived instance declaration is of the form 
3415 <programlisting> 
3416   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3417 </programlisting> 
3418
3419 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3420 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3421 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3422 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3423 declaration.
3424 </para>
3425 <para>
3426
3427 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3428 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3429 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3430 clause. For example, given the class
3431
3432 <programlisting> 
3433   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3434   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3435 </programlisting> 
3436 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3437 <programlisting> 
3438   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3439                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3440 </programlisting>
3441
3442 The derived instance is obtained by completing the application of the
3443 class to the new type:
3444
3445 <programlisting> 
3446   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3447            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3448 </programlisting>
3449 </para>
3450 <para>
3451
3452 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3453  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3454 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3455 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3456 the newtype and its representation.
3457 </para>
3458 </sect3>
3459
3460 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3461 <para>
3462 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3463 declaration (after expansion of any type synonyms)
3464
3465 <programlisting> 
3466   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3467 </programlisting> 
3468
3469 where 
3470  <itemizedlist>
3471 <listitem><para>
3472   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3473 </para></listitem>
3474 <listitem><para>
3475   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3476 </para></listitem>
3477 <listitem><para>
3478   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3479   the <literal>ti</literal>, and
3480 </para></listitem>
3481 <listitem><para>
3482   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3483   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3484   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3485 </para></listitem>
3486 <listitem><para>
3487   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3488                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3489                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3490                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3491                 via this new mechanism.  
3492 </para></listitem>
3493 </itemizedlist>
3494 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3495 declaration is:
3496 <programlisting> 
3497   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3498 </programlisting>
3499 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3500 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3501 </para>
3502 <para>
3503
3504 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3505 <programlisting> 
3506   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3507 </programlisting> 
3508 Here we cannot derive the instance 
3509 <programlisting> 
3510   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3511 </programlisting> 
3512
3513 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3514 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3515 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3516 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3517 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3518 </para>
3519 <para>
3520
3521 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3522 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3523 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3524
3525 <programlisting> 
3526   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3527 </programlisting>
3528
3529 then we would not have been able to derive an instance for the
3530 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3531 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3532 instances is most interesting.
3533 </para>
3534 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3535 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3536 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3537 4.3.3. of the Haskell Report).
3538 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3539 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3540 the standard method is used or the one described here.)
3541 </para>
3542 </sect3>
3543
3544 </sect2>
3545
3546 <sect2 id="typing-binds">
3547 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3548
3549 <para>
3550 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3551 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3552 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3553 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3554 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3555 As each group is type-checked, any binders of the group that
3556 have
3557 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3558 polymorphic type,
3559 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3560 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3561 </para>
3562
3563 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3564 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3565 Haskell</ulink>,
3566 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3567 specified:
3568 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3569 type signature</emphasis>.
3570 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3571 typecheck.  For example, consider:
3572 <programlisting>
3573   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3574   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3575   
3576   g y = (y &lt;= y) || f True
3577 </programlisting>
3578 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3579 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3580 <literal>f</literal>,
3581 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3582 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3583 type is generalised, to get
3584 <programlisting>
3585   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3586 </programlisting>
3587 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3588 <literal>g</literal> in the type environment.
3589 </para>
3590
3591 <para>
3592 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3593 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3594 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3595 <option>-fglasgow-exts</option>
3596 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3597 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3598 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3599 <programlisting>
3600   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3601   f x = (x == x) || g True
3602   
3603   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3604   g y = (y &lt;= y) || f True
3605 </programlisting>
3606 </para>
3607 </sect2>
3608
3609 </sect1>
3610 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3611   
3612 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3613
3614 <sect1 id="gadt">
3615 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3616
3617 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3618 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3619 <programlisting>
3620   data Term a where
3621       Lit    :: Int -> Term Int
3622       Succ   :: Term Int -> Term Int
3623       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3624       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3625       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3626 </programlisting>
3627 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3628 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3629 for these <literal>Terms</literal>:
3630 <programlisting>
3631   eval :: Term a -> a
3632   eval (Lit i)      = i
3633   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3634   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3635   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3636   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3637 </programlisting>
3638 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3639 </para>
3640 <para> The extensions to GHC are these:
3641 <itemizedlist>
3642 <listitem><para>
3643   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3644 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3645 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3646 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3647 <programlisting>
3648   data Term :: * -> * where ...
3649 </programlisting>
3650 or even a mixture of the two:
3651 <programlisting>
3652   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3653 </programlisting>
3654 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3655 like this:
3656 <programlisting>
3657   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3658 </programlisting>
3659 </para></listitem>
3660
3661 <listitem><para>
3662 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3663 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3664 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3665 </para></listitem>
3666
3667 <listitem><para>
3668 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3669
3670 <programlisting>
3671   data Term a where
3672       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3673       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3674       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3675       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3676       Pair   { arg1 :: Term a
3677              , arg2 :: Term b
3678              }                    :: Term (a,b)
3679       If     { cnd  :: Term Bool
3680              , tru  :: Term a
3681              , fls  :: Term a
3682              }                    :: Term a
3683 </programlisting>
3684 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3685 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3686 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3687 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3688 fields above into a 
3689 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3690 their selector functions actually have different types:
3691
3692 <programlisting>
3693   num :: Term Int -> Term Int
3694   arg :: Term Bool -> Term Int
3695 </programlisting>
3696
3697 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3698 limited to record construction, selection and pattern matching:
3699
3700 <programlisting>
3701   someTerm :: Term Bool
3702   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3703
3704   eval :: Term a -> a
3705   eval Lit    { val = i } = i
3706   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3707   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3708   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3709   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3710   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3711 </programlisting>
3712
3713 </para></listitem>
3714
3715 <listitem><para>
3716 You can use strictness annotations, in the obvious places
3717 in the constructor type:
3718 <programlisting>
3719   data Term a where
3720       Lit    :: !Int -> Term Int
3721       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3722       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3723 </programlisting>
3724 </para></listitem>
3725
3726 <listitem><para>
3727 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3728 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3729 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3730 <programlisting>
3731   data Maybe1 a where {
3732       Nothing1 :: Maybe a ;
3733       Just1    :: a -> Maybe a
3734     } deriving( Eq, Ord )
3735
3736   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3737        deriving( Eq, Ord )
3738 </programlisting>
3739 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3740 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3741 </para></listitem>
3742
3743 <listitem><para>
3744 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3745 <programlisting>
3746   eval :: Term a -> a
3747   eval (Lit i) =  ...
3748 </programlisting>
3749 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3750 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3751 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3752
3753 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3754 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3755 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3756 <programlisting>
3757   eval :: Term a -> a -> a
3758   eval (Lit i) j =  i+j
3759 </programlisting>
3760 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3761 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3762 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3763 </para>
3764 </listitem>
3765 </itemizedlist>
3766 </para>
3767
3768 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3769 <programlisting>
3770   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3771   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3772 </programlisting>
3773 </para>
3774 </sect1>
3775
3776 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3777
3778 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3779
3780 <sect1 id="template-haskell">
3781 <title>Template Haskell</title>
3782
3783 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3784 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3785 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3786 the background to
3787 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3788 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3789 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3790 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3791 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3792 (search for the type ExpQ).
3793 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3794       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3795 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3796 </para>
3797
3798 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3799 </para>
3800
3801 <para>
3802 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3803 Tim Sheard is going to expand it.)
3804 </para>
3805
3806     <sect2>
3807       <title>Syntax</title>
3808
3809       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3810       constructions.  You need to use the flag
3811       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3812       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3813       (<option>-fth</option> is currently implied by
3814       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3815       specify it explicitly).</para>
3816
3817         <itemizedlist>
3818               <listitem><para>
3819                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3820                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3821                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3822                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3823                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3824                   </para>
3825               <para> A splice can occur in place of 
3826                   <itemizedlist>
3827                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3828                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3829                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3830                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3831                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3832                     </itemizedlist>
3833            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3834         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3835         as in the paper.)
3836                 </para></listitem>
3837
3838
3839               <listitem><para>
3840                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3841                   <itemizedlist>
3842                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3843                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3844                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3845                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3846                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3847                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3848                   </itemizedlist></para></listitem>
3849
3850               <listitem><para>
3851                   Reification is written thus:
3852                   <itemizedlist>
3853                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3854                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3855                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3856                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3857                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3858                     
3859                   </itemizedlist></para>
3860                 </listitem>
3861
3862                   
3863         </itemizedlist>
3864 </sect2>
3865
3866 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3867 <para>
3868 <itemizedlist>
3869     <listitem><para>
3870     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3871     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3872     </para></listitem>
3873
3874     <listitem><para>
3875     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3876             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3877             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3878    </para></listitem>
3879
3880     <listitem><para>
3881             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3882    </para></listitem>
3883     <listitem><para>
3884             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3885               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3886               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3887               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3888               those of the compiler itself.
3889    </para></listitem>
3890 </itemizedlist>
3891 </para>
3892 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3893         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3894         has been lifted.
3895 </para>
3896 </sect2>
3897  
3898 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3899 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3900   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3901
3902 <programlisting>
3903
3904 {- Main.hs -}
3905 module Main where
3906
3907 -- Import our template "pr"
3908 import Printf ( pr )
3909
3910 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3911 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3912 -- the argument of "putStrLn".
3913 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3914
3915
3916 {- Printf.hs -}
3917 module Printf where
3918
3919 -- Skeletal printf from the paper.
3920 -- It needs to be in a separate module to the one where
3921 -- you intend to use it.
3922
3923 -- Import some Template Haskell syntax
3924 import Language.Haskell.TH
3925
3926 -- Describe a format string
3927 data Format = D | S | L String
3928
3929 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3930 -- as we are here interested in building our first ever
3931 -- Template Haskell program and not in building printf.
3932 parse :: String -> [Format]
3933 parse s   = [ L s ]
3934
3935 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3936 -- of the format string.  This code will be spliced into
3937 -- the module which calls "pr", at compile time.
3938 gen :: [Format] -> ExpQ
3939 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3940 gen [S]   = [| \s -> s |]
3941 gen [L s] = stringE s
3942
3943 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3944 -- from an input format string.
3945 pr :: String -> ExpQ
3946 pr s      = gen (parse s)
3947 </programlisting>
3948
3949 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3950 </para>
3951 <programlisting>
3952 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3953 </programlisting>
3954
3955 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3956
3957 <programlisting>
3958 $ ./main
3959 Hello
3960 </programlisting>
3961
3962 </sect2>
3963  
3964 </sect1>
3965
3966 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3967
3968 <sect1 id="arrow-notation">
3969 <title>Arrow notation
3970 </title>
3971
3972 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3973 For more details, see
3974 <itemizedlist>
3975
3976 <listitem>
3977 <para>
3978 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3979 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3980 pp67&ndash;111, May 2000.
3981 </para>
3982 </listitem>
3983
3984 <listitem>
3985 <para>
3986 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3987 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3988 </para>
3989 </listitem>
3990
3991 <listitem>
3992 <para>
3993 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3994 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3995 Palgrave, 2003.
3996 </para>
3997 </listitem>
3998
3999 </itemizedlist>
4000 and the arrows web page at
4001 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
4002 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
4003 notation described in the second of these papers.
4004 What follows is a brief introduction to the notation;
4005 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4006 This notation is translated to ordinary Haskell,
4007 using combinators from the
4008 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4009 module.
4010 </para>
4011
4012 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4013 <screen>
4014 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4015        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4016 </screen>
4017 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4018 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4019 <literal>proc</literal>-expression,
4020 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4021 The syntax of commands is as follows:
4022 <screen>
4023 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4024        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4025        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4026 </screen>
4027 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4028 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4029 infix operators as for expressions, and
4030 <screen>
4031 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4032        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4033        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4034        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4035        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4036        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4037
4038 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4039        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4040        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4041
4042 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4043        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4044        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4045        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4046 </screen>
4047 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4048 except that the bodies are commands instead of expressions.
4049 </para>
4050
4051 <para>
4052 Commands produce values, but (like monadic computations)
4053 may yield more than one value,
4054 or none, and may do other things as well.
4055 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4056 using commands.
4057 However the values of expressions, even monadic ones,
4058 are determined by the values of the variables they contain;
4059 this is not necessarily the case for commands.
4060 </para>
4061
4062 <para>
4063 A simple example of the new notation is the expression
4064 <screen>
4065 proc x -> f -&lt; x+1
4066 </screen>
4067 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4068 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4069 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4070 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4071 It refers to the input to the arrow.
4072 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4073 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4074 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4075 (The weird look will make more sense later.)
4076 It may be read as analogue of application for arrows.
4077 The above example is equivalent to the Haskell expression
4078 <screen>
4079 arr (\ x -> x+1) >>> f
4080 </screen>
4081 That would make no sense if the expression to the left of
4082 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4083 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4084 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4085 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4086 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4087 <screen>
4088 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4089 </screen>
4090 which is equivalent to
4091 <screen>
4092 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4093 </screen>
4094 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4095 class.
4096 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4097 you may find a monadic formulation more convenient.
4098 </para>
4099
4100 <sect2>
4101 <title>do-notation for commands</title>
4102
4103 <para>
4104 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4105 For example, you can write
4106 <screen>
4107 proc x -> do
4108         y &lt;- f -&lt; x+1
4109         g -&lt; 2*y
4110         let z = x+y
4111         t &lt;- h -&lt; x*z
4112         returnA -&lt; t+z
4113 </screen>
4114 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4115 but with commands in place of monadic expressions.
4116 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4117 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4118 <literal>y</literal>.
4119 In the next line, the output is discarded.
4120 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4121 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4122 module as <literal>arr id</literal>.
4123 The above example is treated as an abbreviation for
4124 <screen>
4125 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4126         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4127         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4128         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4129         arr snd >>>
4130         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4131         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4132         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4133         returnA
4134 </screen>
4135 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4136 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4137 defined in the
4138 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4139 module, this reduces to
4140 <screen>
4141 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4142         first f >>>
4143         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4144         first g >>>
4145         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4146         first h >>>
4147         arr (\ (t, z) -> t+z)
4148 </screen>
4149 which is what you might have written by hand.
4150 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4151 </para>
4152
4153 <para>
4154 Note that although the above translation suggests that
4155 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4156 monomorphic, the actual translation produces Core,
4157 so polymorphic variables are allowed.
4158 </para>
4159
4160 <para>
4161 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4162 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4163 <programlisting>
4164 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4165 counter = proc reset -> do
4166         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4167                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4168         returnA -&lt; output
4169 </programlisting>
4170 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4171 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4172 </para>
4173
4174 </sect2>
4175
4176 <sect2>
4177 <title>Conditional commands</title>
4178
4179 <para>
4180 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4181 input for an arrow.
4182 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4183 <screen>
4184 proc (x,y) ->
4185         if f x y
4186         then g -&lt; x+1
4187         else h -&lt; y+2
4188 </screen>
4189 which is translated to
4190 <screen>
4191 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4192         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4193 </screen>
4194 Since the translation uses <function>|||</function>,
4195 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4196 </para>
4197
4198 <para>
4199 There are also <literal>case</literal> commands, like
4200 <screen>
4201 case input of
4202     [] -> f -&lt; ()
4203     [x] -> g -&lt; x+1
4204     x1:x2:xs -> do
4205         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4206         ys &lt;- k -&lt; xs
4207         returnA -&lt; y:ys
4208 </screen>
4209 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4210 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4211 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4212 </para>
4213
4214 </sect2>
4215
4216 <sect2>
4217 <title>Defining your own control structures</title>
4218
4219 <para>
4220 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4221 modelled on those for expressions,
4222 for sequencing, value recursion and conditionals.
4223 But suitable combinators,
4224 which you can define in ordinary Haskell,
4225 may also be used to build new commands out of existing ones.
4226 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4227 These environments assign values to the free local variables of the command.
4228 Thus combinators that produce arrows from arrows
4229 may also be used to build commands from commands.
4230 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4231 <programlisting>
4232 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4233 </programlisting>
4234 so we can use it to build commands:
4235 <programlisting>
4236 expr' = proc x -> do
4237                 returnA -&lt; x
4238         &lt;+> do
4239                 symbol Plus -&lt; ()
4240                 y &lt;- term -&lt; ()
4241                 expr' -&lt; x + y
4242         &lt;+> do
4243                 symbol Minus -&lt; ()
4244                 y &lt;- term -&lt; ()
4245                 expr' -&lt; x - y
4246 </programlisting>
4247 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4248 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4249 expression on the previous line.)
4250 This is equivalent to
4251 <programlisting>
4252 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4253         &lt;+> (proc x -> do
4254                 symbol Plus -&lt; ()
4255                 y &lt;- term -&lt; ()
4256                 expr' -&lt; x + y)
4257         &lt;+> (proc x -> do
4258                 symbol Minus -&lt; ()
4259                 y &lt;- term -&lt; ()
4260                 expr' -&lt; x - y)
4261 </programlisting>
4262 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4263 (representing the environment input to the command
4264 and thence to its subcommands)
4265 and satisfy the corresponding naturality property
4266 <screen>
4267 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4268 </screen>
4269 at least for strict <literal>k</literal>.
4270 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4271 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4272 of the whole command,
4273 and also allows the translation to safely trim these environments.
4274 The operator must also not use any variable defined within the current
4275 arrow abstraction.
4276 </para>
4277
4278 <para>
4279 We could define our own operator
4280 <programlisting>
4281 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4282 untilA body cond = proc x ->
4283         if cond x then returnA -&lt; ()
4284         else do
4285                 body -&lt; x
4286                 untilA body cond -&lt; x
4287 </programlisting>
4288 and use it in the same way.
4289 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4290 there is also a more general syntax involving special brackets:
4291 <screen>
4292 proc x -> do
4293         y &lt;- f -&lt; x+1
4294         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4295 </screen>
4296 </para>
4297
4298 </sect2>
4299
4300 <sect2>
4301 <title>Primitive constructs</title>
4302
4303 <para>
4304 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4305 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4306 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4307 exception that occurred to the handler.
4308 Such an operator might have a type
4309 <screen>
4310 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4311 </screen>
4312 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4313 You could then use this with arrow notation by writing a command
4314 <screen>
4315 body `handleA` \ ex -> handler
4316 </screen>
4317 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4318 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4319 and the command <literal>handler</literal>,
4320 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4321 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4322 we are talking about commands, and something different is going on.
4323 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4324 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4325 In all the prior examples, this stack was empty.
4326 In the second argument to <function>handleA</function>,
4327 this stack consists of one value, the value of the exception.
4328 The command form of lambda merely gives this value a name.
4329 </para>
4330
4331 <para>
4332 More concretely,
4333 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4334 So operators like <function>handleA</function> that pass
4335 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4336 by pairing the values with the environment in this way.
4337 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4338 should have the form
4339 <screen>
4340 a (...(e,t1), ... tn) t
4341 </screen>
4342 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4343 (representing the environment)
4344 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4345 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4346 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4347 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4348 <replaceable>t</replaceable>.
4349 However the arrows involved need not be the same.
4350 Here are some more examples of suitable operators:
4351 <screen>
4352 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4353 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4354 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4355 </screen>
4356 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4357 by applying them to ordinary expressions, as in
4358 <screen>
4359 proc x -> do
4360         s &lt;- ...
4361         (|runReader (do { ... })|) s
4362 </screen>
4363 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4364 built using <function>runReader</function>.
4365 </para>
4366
4367 <para>
4368 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4369 the expression versions.
4370 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4371 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4372 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4373 though the results would be somewhat clumsy.
4374 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4375 <programlisting>
4376 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4377 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4378
4379 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4380 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4381 </programlisting>
4382 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4383 <programlisting>
4384 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4385 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4386 </programlisting>
4387 </para>
4388
4389 </sect2>
4390
4391 <sect2>
4392 <title>Differences with the paper</title>
4393
4394 <itemizedlist>
4395
4396 <listitem>
4397 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4398 translations, the implementation provides two forms
4399 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4400 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4401 </para>
4402 </listitem>
4403
4404 <listitem>
4405 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4406 a new <literal>form</literal> keyword.
4407 </para>
4408 </listitem>
4409
4410 </itemizedlist>
4411
4412 </sect2>
4413
4414 <sect2>
4415 <title>Portability</title>
4416
4417 <para>
4418 Although only GHC implements arrow notation directly,
4419 there is also a preprocessor
4420 (available from the 
4421 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4422 that translates arrow notation into Haskell 98
4423 for use with other Haskell systems.
4424 You would still want to check arrow programs with GHC;
4425 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4426 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4427 additional restrictions:
4428 <itemizedlist>
4429
4430 <listitem>
4431 <para>
4432 The module must import
4433 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4434 </para>
4435 </listitem>
4436
4437 <listitem>
4438 <para>
4439 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4440 These would have to go in separate modules.
4441 </para>
4442 </listitem>
4443
4444 <listitem>
4445 <para>
4446 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4447 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4448 </para>
4449 </listitem>
4450
4451 </itemizedlist>
4452 </para>
4453
4454 </sect2>
4455
4456 </sect1>
4457
4458 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4459
4460 <sect1 id="sec-assertions">
4461 <title>Assertions
4462 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4463 </title>
4464
4465 <para>
4466 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4467 could define a function like the following:
4468 </para>
4469
4470 <para>
4471
4472 <programlisting>
4473 assert :: Bool -> a -> a
4474 assert False x = error "assertion failed!"
4475 assert _     x = x
4476 </programlisting>
4477
4478 </para>
4479
4480 <para>
4481 which works, but gives you back a less than useful error message --
4482 an assertion failed, but which and where?
4483 </para>
4484
4485 <para>
4486 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4487 takes a descriptive string to include in the error message and
4488 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4489 the source location where <function>assert</function> was used.
4490 </para>
4491
4492 <para>
4493 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4494 use of <function>assert</function> in the user's source:
4495 </para>
4496
4497 <para>
4498
4499 <programlisting>
4500 kelvinToC :: Double -> Double
4501 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4502 </programlisting>
4503
4504 </para>
4505
4506 <para>
4507 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4508 assertion was made,
4509 </para>
4510
4511 <para>
4512
4513 <programlisting>
4514 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4515 </programlisting>
4516
4517 </para>
4518
4519 <para>
4520 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4521 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4522 can still define and use your own versions of
4523 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4524 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4525 <function>assert</function> in your code.
4526 </para>
4527
4528 <para>
4529 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4530       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4531 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4532 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4533       <option>-fignore-asserts</option>
4534       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4535       </indexterm>.</para>
4536
4537 <para>
4538 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4539 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4540 </para>
4541
4542 </sect1>
4543
4544
4545 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4546
4547   <sect1 id="pragmas">
4548     <title>Pragmas</title>
4549
4550     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4551
4552     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4553     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4554     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4555     of the generated code.</para>
4556
4557     <para>Pragmas all take the form
4558
4559 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4560
4561     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4562     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4563     type of pragma.  Case is ignored in
4564     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4565     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4566     in the following sections; any pragma encountered with an
4567     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4568     ignored.</para>
4569
4570     <sect2 id="deprecated-pragma">
4571       <title>DEPRECATED pragma</title>
4572       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4573       </indexterm>
4574
4575       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4576       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4577       forms.
4578
4579       <itemizedlist>
4580         <listitem>
4581           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4582 <programlisting>
4583    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4584      ...
4585 </programlisting>
4586           <para>When you compile any module that import
4587           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4588           message.</para>
4589         </listitem>
4590
4591         <listitem>
4592           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4593           following top-level declaration:</para>
4594 <programlisting>
4595    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4596 </programlisting>
4597           <para>When you compile any module that imports and uses any
4598           of the specified entities, GHC will print the specified
4599           message.</para>
4600           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4601           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4602           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4603           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4604           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4605           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4606           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4607         </listitem>
4608       </itemizedlist>
4609       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4610       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4611       deprecations are not reported for
4612       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4613       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4614       The latter reduces spurious complaints within a library
4615       in which one module gathers together and re-exports 
4616       the exports of several others.
4617       </para>
4618       <para>You can suppress the warnings with the flag
4619       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4620     </sect2>
4621
4622     <sect2 id="include-pragma">
4623       <title>INCLUDE pragma</title>
4624
4625       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4626         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4627         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4628         compiling via C).  For example:</para>
4629
4630 <programlisting>
4631 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4632 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4633
4634       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4635         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4636         pragma(s).</para>
4637
4638       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4639         to the <option>-#include</option> option (<xref
4640           linkend="options-C-compiler" />), because the
4641         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4642         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4643         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4644         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4645     </sect2>
4646
4647     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4648       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4649
4650       <para>These pragmas control the inlining of function
4651       definitions.</para>
4652
4653       <sect3 id="inline-pragma">
4654         <title>INLINE pragma</title>
4655         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4656
4657         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4658         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4659         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4660         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4661         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4662         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4663         export that unfolding for other modules to use.</para>
4664
4665         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4666         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4667         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4668
4669 <programlisting>
4670 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4671
4672 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4673 {-# INLINE key_function #-}
4674 #endif
4675 </programlisting>
4676
4677         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4678         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4679         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4680
4681         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4682         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4683         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4684         inline it.</para>
4685
4686         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4687         function can be put anywhere its type signature could be
4688         put.</para>
4689
4690         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4691         good idea for the
4692         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4693         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4694         a monad.  For example, in GHC's own
4695         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4696
4697 <programlisting>
4698 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4699 {-# INLINE thenUs #-}
4700 {-# INLINE returnUs #-}
4701 #endif
4702 </programlisting>
4703
4704         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4705         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4706       </sect3>
4707
4708       <sect3 id="noinline-pragma">
4709         <title>NOINLINE pragma</title>
4710         
4711         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4712         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4713
4714         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4715         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4716         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4717         you're very cautious about code size.</para>
4718
4719         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4720         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4721         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4722         inlining, so it should be used if you want your code to be
4723         portable).</para>
4724       </sect3>
4725
4726       <sect3 id="phase-control">
4727         <title>Phase control</title>
4728
4729         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4730         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4731         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4732         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4733         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4734         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4735         sequence of phase numbers for successive runs of the
4736         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4737         phase number, thus:</para>
4738
4739         <itemizedlist>
4740           <listitem>
4741             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4742             and all subsequent phases":
4743 <programlisting>
4744   {-# INLINE [2] f #-}
4745 </programlisting>
4746             </para>
4747           </listitem>
4748
4749           <listitem>
4750             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4751             phases up to, but not including, Phase 3":
4752 <programlisting>
4753   {-# INLINE [~3] g #-}
4754 </programlisting>
4755             </para>
4756           </listitem>
4757
4758           <listitem>
4759             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4760             all phases".</para>
4761           </listitem>
4762         </itemizedlist>
4763
4764         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4765
4766         <itemizedlist>
4767           <listitem>
4768             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4769             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4770             there was no pragma at all":
4771 <programlisting>
4772   {-# NOINLINE [2] f #-}
4773 </programlisting>
4774             </para>
4775           </listitem>
4776
4777           <listitem>
4778             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4779             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4780             there was no pragma":
4781 <programlisting>
4782   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4783 </programlisting>
4784             </para>
4785           </listitem>
4786
4787           <listitem>
4788             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4789             inline this function".</para>
4790           </listitem>
4791         </itemizedlist>
4792
4793         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4794         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4795       </sect3>
4796     </sect2>
4797
4798     <sect2 id="language-pragma">
4799       <title>LANGUAGE pragma</title>
4800
4801       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4802       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
4803
4804       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
4805         It is the intention that all Haskell compilers support the
4806         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
4807         all extensions are supported by all compilers, of
4808         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
4809         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
4810
4811       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
4812
4813 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
4814
4815       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
4816         <ulink
4817           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
4818     </sect2>
4819
4820
4821     <sect2 id="line-pragma">
4822       <title>LINE pragma</title>
4823
4824       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4825       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4826       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4827       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4828       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4829       original code; for example</para>
4830
4831 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
4832
4833       <para>if you'd generated the current file from something called
4834       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4835       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4836       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4837       pragma.</para>
4838     </sect2>
4839
4840     <sect2 id="options-pragma">
4841       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4842       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4843       </indexterm>
4844       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4845       </indexterm>
4846
4847       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4848       additional options that are given to the compiler when compiling
4849       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4850       details.</para>
4851
4852       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4853         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4854     </sect2>
4855
4856     <sect2 id="rules">
4857       <title>RULES pragma</title>
4858
4859       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4860       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4861     </sect2>
4862
4863     <sect2 id="specialize-pragma">
4864       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4865
4866       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4867       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4868       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4869
4870       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4871       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4872       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4873       overloaded function:</para>
4874
4875 <programlisting>
4876   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4877 </programlisting>
4878
4879       <para>If it is heavily used on lists with
4880       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4881       follows:</para>
4882
4883 <programlisting>
4884   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4885 </programlisting>
4886
4887       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4888       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4889
4890       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4891       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4892       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4893       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4894
4895       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
4896         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
4897         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
4898 <programlisting>
4899   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
4900 </programlisting>
4901       is valid if and only if the defintion
4902 <programlisting>
4903   f_spec :: &lt;type&gt;
4904   f_spec = f
4905 </programlisting>
4906       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
4907       for the original function, not its code):
4908 <programlisting>
4909   f :: Eq a => a -> b -> b
4910   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
4911
4912   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
4913   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
4914
4915   h :: Eq a => a -> a -> a
4916   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
4917 </programlisting>  
4918 The last of these examples will generate a 
4919 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
4920 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
4921 </para>
4922
4923 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
4924 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
4925 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
4926 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
4927 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
4928 example is this:
4929 <programlisting>
4930 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
4931 data Arr e where
4932   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
4933   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
4934
4935 (!:) :: Arr e -> Int -> e
4936 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
4937 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
4938 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
4939 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
4940 </programlisting>
4941 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
4942 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
4943 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
4944 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
4945 <literal>(!:)</literal>,
4946 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
4947 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
4948 unrolling of the indexing function.</para>
4949 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
4950 on an ordinarily-recursive function.</para>
4951
4952       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4953       specialised function for a given type:
4954
4955 <programlisting>
4956 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4957 </programlisting>
4958
4959       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4960       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4961
4962     </sect2>
4963
4964 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4965 <title>SPECIALIZE instance pragma
4966 </title>
4967
4968 <para>
4969 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4970 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4971 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4972
4973 <programlisting>
4974 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4975    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4976    ... usual stuff ...
4977  }
4978 </programlisting>
4979 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4980 of the instance declaration.
4981 </para>
4982 <para>
4983 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4984 of the pragma.
4985 </para>
4986
4987 </sect2>
4988
4989     <sect2 id="unpack-pragma">
4990       <title>UNPACK pragma</title>
4991
4992       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4993       
4994       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4995       that it should unpack the contents of a constructor field into
4996       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4997       example:</para>
4998
4999 <programlisting>
5000 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
5001            {-# UNPACK #-} !Float
5002 </programlisting>
5003
5004       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
5005       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
5006       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
5007       floats passed to a non-strict function for example, they will
5008       have to be reboxed (this is done automatically by the
5009       compiler).</para>
5010
5011       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
5012       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
5013       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
5014       often as possible.  For example:</para>
5015
5016 <programlisting>
5017 f :: T -&#62; Float
5018 f (T f1 f2) = f1 + f2
5019 </programlisting>
5020
5021       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
5022       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
5023       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
5024
5025       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5026       example</para>
5027
5028 <programlisting>
5029 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5030 </programlisting>
5031
5032       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5033       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5034       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5035
5036 <programlisting>
5037 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5038 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5039 </programlisting>
5040
5041       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5042       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5043       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5044
5045       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5046       so it might be an idea to check the generated code with
5047       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5048
5049       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5050       which essentially has the effect of adding
5051       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5052       constructor field.</para>
5053     </sect2>
5054
5055 </sect1>
5056
5057 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5058
5059 <sect1 id="rewrite-rules">
5060 <title>Rewrite rules
5061
5062 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5063 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5064 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5065
5066 <para>
5067 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5068 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5069 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5070 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5071 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
5072 </para>
5073
5074 <para>
5075 Here is an example:
5076
5077 <programlisting>
5078   {-# RULES
5079         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5080   #-}
5081 </programlisting>
5082
5083 </para>
5084
5085 <sect2>
5086 <title>Syntax</title>
5087
5088 <para>
5089 From a syntactic point of view:
5090
5091 <itemizedlist>
5092 <listitem>
5093
5094 <para>
5095  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5096 </para>
5097 </listitem>
5098
5099 <listitem>
5100
5101 <para>
5102  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5103 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5104 </para>
5105 </listitem>
5106
5107 <listitem>
5108 <para>
5109 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5110 immediately after the name of the rule.  Thus:
5111 <programlisting>
5112   {-# RULES
5113         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5114   #-}
5115 </programlisting>
5116 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5117 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5118 Phase 2.
5119 </para>
5120 </listitem>
5121
5122
5123 <listitem>
5124
5125 <para>
5126  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5127 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5128 enclosing definitions.
5129 </para>
5130 </listitem>
5131
5132 <listitem>
5133
5134 <para>
5135  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5136 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5137 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5138 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5139 </para>
5140 </listitem>
5141 <listitem>
5142
5143 <para>
5144  A pattern variable may optionally have a type signature.
5145 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5146 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5147
5148 <programlisting>
5149 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5150               foldr k z (build g) = g k z
5151 </programlisting>
5152
5153 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5154
5155 </para>
5156 </listitem>
5157 <listitem>
5158
5159 <para>
5160 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5161 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5162
5163 <programlisting>
5164 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5165 "wrong2"   forall f.      f True = True
5166 </programlisting>
5167
5168 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5169 in the head.
5170 </para>
5171 </listitem>
5172 <listitem>
5173
5174 <para>
5175  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5176 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5177 </para>
5178 </listitem>
5179 <listitem>
5180
5181 <para>
5182  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5183 </para>
5184 </listitem>
5185
5186 </itemizedlist>
5187
5188 </para>
5189
5190 </sect2>
5191
5192 <sect2>
5193 <title>Semantics</title>
5194
5195 <para>
5196 From a semantic point of view:
5197
5198 <itemizedlist>
5199 <listitem>
5200
5201 <para>
5202 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5203 </para>
5204 </listitem>
5205
5206 <listitem>
5207 <para>
5208  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5209 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5210 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5211 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5212 expression by substituting for the pattern variables.
5213
5214 </para>
5215 </listitem>
5216 <listitem>
5217
5218 <para>
5219  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5220 same type.
5221
5222 </para>
5223 </listitem>
5224 <listitem>
5225
5226 <para>
5227  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5228 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5229 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5230
5231 </para>
5232 </listitem>
5233 <listitem>
5234
5235 <para>
5236  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5237 terminating.  For example:
5238
5239 <programlisting>
5240   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5241 </programlisting>
5242
5243 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5244
5245 </para>
5246 </listitem>
5247 <listitem>
5248
5249 <para>
5250  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5251
5252 </para>
5253 </listitem>
5254 <listitem>
5255 <para>
5256  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5257 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5258 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5259 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5260 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5261 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5262 </para>
5263
5264 <para>
5265 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5266 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5267 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5268 </para>
5269 </listitem>
5270 <listitem>
5271
5272 <para>
5273  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5274 For example, consider:
5275
5276 <programlisting>
5277   let s = map f
5278       t = map g
5279   in
5280   s (t xs)
5281 </programlisting>
5282
5283 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5284 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5285 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5286 not be substituted, and the rule would not fire.
5287
5288 </para>
5289 </listitem>
5290 <listitem>
5291
5292 <para>
5293  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5294 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5295 for something you can't match against it (given the simple minded
5296 matching).  So if you write the rule
5297
5298 <programlisting>
5299         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5300 </programlisting>
5301
5302 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5303 It will only match something written with explicit use of ".".
5304 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5305
5306 <programlisting>
5307 wibble f g xs
5308 </programlisting>
5309
5310 where <function>wibble</function> is defined:
5311
5312 <programlisting>
5313 wibble f g = map f . map g
5314 </programlisting>
5315
5316 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5317
5318 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5319 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5320 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5321
5322 </para>
5323 </listitem>
5324 <listitem>
5325
5326 <para>
5327  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5328 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5329 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5330 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5331 declarations.
5332 </para>
5333 </listitem>
5334
5335 </itemizedlist>
5336
5337 </para>
5338
5339 </sect2>
5340
5341 <sect2>
5342 <title>List fusion</title>
5343
5344 <para>
5345 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5346 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5347 intermediate list should be eliminated entirely.
5348 </para>
5349
5350 <para>
5351 The following are good producers:
5352
5353 <itemizedlist>
5354 <listitem>
5355
5356 <para>
5357  List comprehensions
5358 </para>
5359 </listitem>
5360 <listitem>
5361
5362 <para>
5363  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5364 </para>
5365 </listitem>
5366 <listitem>
5367
5368 <para>
5369  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5370 </para>
5371 </listitem>
5372 <listitem>
5373
5374 <para>
5375  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5376 </para>
5377 </listitem>
5378 <listitem>
5379
5380 <para>
5381  <function>++</function>
5382 </para>
5383 </listitem>
5384
5385 <listitem>
5386 <para>
5387  <function>map</function>
5388 </para>
5389 </listitem>
5390
5391 <listitem>
5392 <para>
5393  <function>filter</function>
5394 </para>
5395 </listitem>
5396 <listitem>
5397
5398 <para>
5399  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5400 </para>
5401 </listitem>
5402 <listitem>
5403
5404 <para>
5405  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5406 </para>
5407 </listitem>
5408
5409 </itemizedlist>
5410
5411 </para>
5412
5413 <para>
5414 The following are good consumers:
5415
5416 <itemizedlist>
5417 <listitem>
5418
5419 <para>
5420  List comprehensions
5421 </para>
5422 </listitem>
5423 <listitem>
5424
5425 <para>
5426  <function>array</function> (on its second argument)
5427 </para>
5428 </listitem>
5429 <listitem>
5430
5431 <para>
5432  <function>length</function>
5433 </para>
5434 </listitem>
5435 <listitem>
5436
5437 <para>
5438  <function>++</function> (on its first argument)
5439 </para>
5440 </listitem>
5441
5442 <listitem>
5443 <para>
5444  <function>foldr</function>
5445 </para>
5446 </listitem>
5447
5448 <listitem>
5449 <para>
5450  <function>map</function>
5451 </para>
5452 </listitem>
5453 <listitem>
5454
5455 <para>
5456  <function>filter</function>
5457 </para>
5458 </listitem>
5459 <listitem>
5460
5461 <para>
5462  <function>concat</function>
5463 </para>
5464 </listitem>
5465 <listitem>
5466
5467 <para>
5468  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5469 </para>
5470 </listitem>
5471 <listitem>
5472
5473 <para>
5474  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5475 will fuse with one but not the other)
5476 </para>
5477 </listitem>
5478 <listitem>
5479
5480 <para>
5481  <function>partition</function>
5482 </para>
5483 </listitem>
5484 <listitem>
5485
5486 <para>
5487  <function>head</function>
5488 </para>
5489 </listitem>
5490 <listitem>
5491
5492 <para>
5493  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5494 </para>
5495 </listitem>
5496 <listitem>
5497
5498 <para>
5499  <function>sequence&lowbar;</function>
5500 </para>
5501 </listitem>
5502 <listitem>
5503
5504 <para>
5505  <function>msum</function>
5506 </para>
5507 </listitem>
5508 <listitem>
5509
5510 <para>
5511  <function>sortBy</function>
5512 </para>
5513 </listitem>
5514
5515 </itemizedlist>
5516
5517 </para>
5518
5519  <para>
5520 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5521
5522 <programlisting>
5523 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5524 </programlisting>
5525
5526 </para>
5527
5528 <para>
5529 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5530 a lot which are not included, please tell us.
5531 </para>
5532
5533 <para>
5534 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5535 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5536 </para>
5537
5538 </sect2>
5539
5540 <sect2 id="rule-spec">
5541 <title>Specialisation
5542 </title>
5543
5544 <para>
5545 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5546 present in earlier versions of GHC.
5547 For example, suppose that:
5548
5549 <programlisting>
5550 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5551 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5552 </programlisting>
5553
5554 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5555 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5556 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5557 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5558 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5559 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5560 It used to be possible to write
5561
5562 <programlisting>
5563 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5564 </programlisting>
5565
5566 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5567
5568 <programlisting>
5569 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5570 </programlisting>
5571
5572 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5573 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5574 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5575 What is more, this rule does not need to be in the same
5576 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5577 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5578 have an original definition available to specialise).
5579 </para>
5580
5581 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5582 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5583 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5584
5585 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5586 specialisation will Win Big:
5587
5588 <programlisting>
5589 toDouble :: Real a => a -> Double
5590 toDouble = fromRational . toRational
5591
5592 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5593 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5594 </programlisting>
5595
5596 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5597 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5598 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5599 comparison.
5600 </para>
5601
5602 </sect2>
5603
5604 <sect2>
5605 <title>Controlling what's going on</title>
5606
5607 <para>
5608
5609 <itemizedlist>
5610 <listitem>
5611
5612 <para>
5613  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5614 </para>
5615 </listitem>
5616 <listitem>
5617
5618 <para>
5619  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5620 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5621 </para>
5622 </listitem>
5623 <listitem>
5624
5625 <para>
5626  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5627
5628 <programlisting>
5629         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5630         {-# INLINE build #-}
5631         build g = g (:) []
5632 </programlisting>
5633
5634 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5635 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5636 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5637 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5638
5639 </para>
5640 </listitem>
5641 <listitem>
5642
5643 <para>
5644  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5645 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5646 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5647 </para>
5648 </listitem>
5649
5650 </itemizedlist>
5651
5652 </para>
5653
5654 </sect2>
5655
5656 <sect2 id="core-pragma">
5657   <title>CORE pragma</title>
5658
5659   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5660   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5661   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5662
5663 <para>
5664   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5665   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5666   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5667   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5668   literal as an argument.  The following function definition shows an
5669   example:
5670
5671 <programlisting>
5672 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5673 </programlisting>
5674
5675   Semantically, this is equivalent to:
5676
5677 <programlisting>
5678 g x = show x
5679 </programlisting>
5680 </para>
5681
5682 <para>
5683   However, when external for is generated (via
5684   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5685   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5686   The core function declaration for <function>f</function> is:
5687 </para>
5688
5689 <programlisting>
5690   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5691                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5692     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5693         (%note "foo"
5694          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5695            {GHCziShow.ZCDShow
5696             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5697                    a ->
5698                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5699 r)
5700             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5701             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5702                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5703 r) ->
5704               tpl2})
5705         (%note "foo"
5706          eta);
5707 </programlisting>
5708
5709 <para>
5710   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5711   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5712   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5713   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5714   <varname>x</varname>).
5715 </para>
5716
5717 </sect2>
5718
5719 </sect1>
5720
5721 <sect1 id="generic-classes">
5722 <title>Generic classes</title>
5723
5724     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5725     GHC 5.02).</para>
5726
5727 <para>
5728 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5729 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5730 An example will give the idea:
5731 </para>
5732
5733 <programlisting>
5734   import Generics
5735
5736   class Bin a where
5737     toBin   :: a -> [Int]
5738     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5739   
5740     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5741     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5742     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5743     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5744   
5745     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5746     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5747     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5748     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5749                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5750 </programlisting>
5751 <para>
5752 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5753 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5754 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5755 </para>
5756 <programlisting>
5757   data Unit    = Unit
5758   data a :+: b = Inl a | Inr b
5759   data a :*: b = a :*: b
5760 </programlisting>
5761 <para>
5762 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5763 <programlisting>
5764   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5765   instance Bin a => Bin [a]
5766 </programlisting>
5767 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5768 where clause and over-ride whichever methods you please.
5769 </para>
5770
5771     <sect2>
5772       <title> Using generics </title>
5773       <para>To use generics you need to</para>
5774       <itemizedlist>
5775         <listitem>
5776           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5777                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5778                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5779                 available.  </para>
5780         </listitem>
5781         <listitem>
5782           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5783           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5784           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5785           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5786           don't need this import if you don't mention these types
5787           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5788           declarations.)</para>
5789         </listitem>
5790       </itemizedlist>
5791     </sect2>
5792
5793 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5794 <para>
5795 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5796 can be written infix (indeed, you can now use
5797 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5798 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5799 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5800 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5801 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5802 anticipate wanting).
5803 </para>
5804 </sect2>
5805
5806 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5807 <para>
5808 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5809 is one that is defined using type patterns as above.
5810 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5811 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5812 generic default method.
5813 </para>
5814
5815 <para>
5816 Restrictions:
5817 <itemizedlist>
5818 <listitem>
5819 <para>
5820 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5821 field labels.
5822 </para>
5823 </listitem>
5824
5825 <listitem>
5826 <para>
5827 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5828 multi-parameter class.
5829 </para>
5830 </listitem>
5831
5832 <listitem>
5833 <para>
5834 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5835 without.  So this is illegal:
5836 <programlisting>
5837   class Foo a where
5838     op :: a -> (a, Bool)
5839     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5840     op x               = (x,    False)
5841 </programlisting>
5842 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5843 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5844 </para>
5845 </listitem>
5846
5847 <listitem>
5848 <para>
5849 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5850 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:
5851 <programlisting>
5852   class Foo a where
5853     op :: a -> Bool
5854     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5855     ...
5856 </programlisting>
5857 </para>
5858 </listitem>
5859
5860 <listitem>
5861 <para>
5862 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5863 <programlisting>
5864        a :+: b
5865        a :*: b
5866        Unit
5867 </programlisting>
5868 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5869 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5870 must use the same type variables.  So this is illegal:
5871 <programlisting>
5872   class Foo a where
5873     op :: a -> Bool
5874     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5875     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5876 </programlisting>
5877 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5878 So this too is illegal:
5879 <programlisting>
5880   class Foo a where
5881     op1 :: a -> Bool
5882     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5883
5884     op2 :: a -> Bool
5885     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5886 </programlisting>
5887 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5888 into a single generic instance declaration.)
5889 </para>
5890 </listitem>
5891
5892 <listitem>
5893 <para>
5894 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5895 </para>
5896 </listitem>
5897
5898 <listitem>
5899 <para>
5900 The type for a generic method can be built only from:
5901   <itemizedlist>
5902   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5903   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5904   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5905   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5906   </itemizedlist>
5907 Here are some example type signatures for generic methods:
5908 <programlisting>
5909     op1 :: a -> Bool
5910     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5911     op3 :: [Int] -> a -> a
5912     op4 :: [a] -> Bool
5913 </programlisting>
5914 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5915 inside a list.  
5916 </para>
5917 <para>
5918 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5919 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5920 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5921 to the ones that are allowed.</para>
5922 </listitem>
5923
5924 <listitem>
5925 <para>
5926 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5927 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5928 do so if
5929   <itemizedlist>
5930   <listitem>
5931   <para>
5932   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5933   </para>
5934   </listitem>
5935   <listitem>
5936   <para>
5937   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5938   </para>
5939   </listitem>
5940   </itemizedlist>
5941 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5942 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5943 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5944 </para>
5945 </listitem>
5946
5947 </itemizedlist>
5948 </para>
5949
5950 <para>
5951 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5952 what the compiler does with generic declarations.
5953 </para>
5954
5955 </sect2>
5956
5957 <sect2> <title> Another example </title>
5958 <para>
5959 Just to finish with, here's another example I rather like:
5960 <programlisting>
5961   class Tag a where
5962     nCons :: a -> Int
5963     nCons {| Unit |}    _ = 1
5964     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5965     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5966   
5967     tag :: a -> Int
5968     tag {| Unit |}    _       = 1
5969     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5970     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5971     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5972 </programlisting>
5973 </para>
5974 </sect2>
5975 </sect1>
5976
5977
5978
5979 <!-- Emacs stuff:
5980      ;;; Local Variables: ***
5981      ;;; mode: xml ***
5982      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5983      ;;; End: ***
5984  -->
5985