[project @ 2005-11-28 09:40:19 by simonpj]
[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.
1870 Thus
1871 <programlisting>
1872 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1873 </programlisting>
1874 is OK, but
1875 <programlisting>
1876 instance C Int b => Foo b where ...
1877 </programlisting>
1878 is not OK.
1879 </para>
1880 </listitem>
1881 </orderedlist>
1882 These restrictions ensure that 
1883 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1884 constructor.  For example, the following would make the type checker
1885 loop if it wasn't excluded:
1886 <programlisting>
1887   instance C a => C a where ...
1888 </programlisting>
1889 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1890 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1891 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1892 something more specific does not:
1893
1894
1895 <programlisting>
1896   instance C a where
1897     op = ... -- Default
1898 </programlisting>
1899
1900
1901 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1902 effect of a "class synonym":
1903
1904
1905 <programlisting>
1906   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1907
1908   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1909 </programlisting>
1910
1911
1912 This allows you to write shorter signatures:
1913
1914
1915 <programlisting>
1916   f :: C a => ...
1917 </programlisting>
1918
1919
1920 instead of
1921
1922
1923 <programlisting>
1924   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1925 </programlisting>
1926
1927
1928 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1929 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1930 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1931 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1932 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1933 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1934 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1935 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1936 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1937 </para>
1938 <para>
1939 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1940 allowing these idioms interesting idioms.  
1941 </para>
1942 </sect3>
1943
1944
1945 </sect2>
1946
1947 <sect2 id="type-restrictions">
1948 <title>Type signatures</title>
1949
1950 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1951 <para>
1952 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1953 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1954 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1955 these type signatures are perfectly OK
1956 <programlisting>
1957   g :: Eq [a] => ...
1958   g :: Ord (T a ()) => ...
1959 </programlisting>
1960 </para>
1961 <para>
1962 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1963 Consider the type:
1964
1965 <programlisting>
1966   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1967 </programlisting>
1968
1969 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1970 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1971 explicit source-language type signature are universally quantified,
1972 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1973 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1974 </para>
1975
1976 <para>
1977
1978 <orderedlist>
1979 <listitem>
1980
1981 <para>
1982  <emphasis>Each universally quantified type variable
1983 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1984
1985 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1986 in the same constraint as either a type variable free in in
1987 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1988 A value with a type that does not obey 
1989 this reachability restriction cannot be used without introducing
1990 ambiguity; that is why the type is rejected.
1991 Here, for example, is an illegal type:
1992
1993
1994 <programlisting>
1995   forall a. Eq a => Int
1996 </programlisting>
1997
1998
1999 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
2000 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
2001 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
2002 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
2003 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
2004 get any more information about <literal>tv</literal>.
2005 </para>
2006 <para>
2007 Note
2008 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
2009 functionally dependent on a type variable free in
2010 <literal>type</literal> (see <xref
2011 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
2012 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
2013 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
2014 For example, consider:
2015 <programlisting>
2016   class C a b | a -> b where ...
2017   class C a b => D a b where ...
2018   f :: forall a b. D a b => a -> a
2019 </programlisting>
2020 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2021 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2022 </para>
2023 </listitem>
2024 <listitem>
2025
2026 <para>
2027  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2028 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2029
2030 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2031 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2032
2033
2034 <programlisting>
2035   forall a. C a b => burble
2036 </programlisting>
2037
2038
2039 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2040 mention <literal>a</literal>:
2041
2042
2043 <programlisting>
2044   forall a. Eq b => burble
2045 </programlisting>
2046
2047
2048 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2049 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2050 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2051 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2052 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2053 territory free in case we need it later.
2054
2055 </para>
2056 </listitem>
2057
2058 </orderedlist>
2059
2060 </para>
2061 </sect3>
2062
2063 <sect3 id="hoist">
2064 <title>For-all hoisting</title>
2065 <para>
2066 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2067 end of an arrow, thus:
2068 <programlisting>
2069   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2070
2071   g :: Int -> Discard Int
2072   g x y z = x+y
2073 </programlisting>
2074 Simply expanding the type synonym would give
2075 <programlisting>
2076   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2077 </programlisting>
2078 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2079 <programlisting>
2080   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2081 </programlisting>
2082 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2083 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2084 performs the transformation:</emphasis>
2085 <programlisting>
2086   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2087 ==>
2088   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2089 </programlisting>
2090 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2091 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2092 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2093 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2094 <programlisting>
2095   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2096 </programlisting>
2097 </para>
2098 <para>
2099 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2100 example:
2101 <programlisting>
2102   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2103   g :: Foo (Foo Int)
2104 </programlisting>
2105 means
2106 <programlisting>
2107   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2108 </programlisting>
2109 </para>
2110 </sect3>
2111
2112
2113 </sect2>
2114
2115 <sect2 id="implicit-parameters">
2116 <title>Implicit parameters</title>
2117
2118 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2119 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2120 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2121 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2122 Boston, Jan 2000.
2123 </para>
2124
2125 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2126 due to Jeff Lewis.)</para>
2127
2128 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2129 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2130
2131 <para>
2132 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2133 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2134 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2135 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2136 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2137 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2138 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2139 only support static scoping of variables.
2140 </para>
2141 <para>
2142 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2143 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2144 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2145 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2146 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2147 of type <literal>t'</literal>". For
2148 example, the following expresses the type of a sort function,
2149 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2150 <programlisting>
2151   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2152 </programlisting>
2153 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2154 </para>
2155 <para>
2156 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2157 where <literal>x</literal> is
2158 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2159 Use of this construct also introduces a new
2160 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2161 For example, the following definition
2162 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2163 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2164 <programlisting>
2165   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2166
2167   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2168   sort    = sortBy ?cmp
2169 </programlisting>
2170 </para>
2171
2172 <sect3>
2173 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2174 <para>
2175 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2176 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2177 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2178 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2179 to pick out the least value in a list:
2180 <programlisting>
2181   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2182   least xs = fst (sort xs)
2183 </programlisting>
2184 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2185 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2186 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2187 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2188 propagate them.
2189 </para>
2190 <para>
2191 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2192 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2193 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2194 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2195 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2196 class constraints.
2197 </para>
2198
2199 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2200 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2201 <programlisting>
2202   class (?x::Int) => C a where ...
2203   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2204 </programlisting>
2205 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2206 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2207 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2208 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2209 <para>
2210 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2211 <programlisting>
2212    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2213    f n = n + length ?x
2214
2215    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2216    g s = show (read s)
2217 </programlisting>
2218 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2219 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2220 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2221 </para>
2222 </sect3>
2223
2224 <sect3>
2225 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2226
2227 <para>
2228 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2229 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2230 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2231 <literal>cmp</literal>.
2232 <programlisting>
2233   min :: [a] -> a
2234   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2235 </programlisting>
2236 </para>
2237 <para>
2238 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2239 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2240 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2241 or a <literal>where</literal> clause.
2242 Note the following points:
2243 <itemizedlist>
2244 <listitem><para>
2245 An implicit-parameter binding group must be a
2246 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2247 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2248 neither polymorphic or recursive.  
2249 </para></listitem>
2250 <listitem><para>
2251 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2252 single <literal>let</literal>
2253 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2254 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2255 </para></listitem>
2256
2257 <listitem><para>
2258 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2259 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2260 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2261 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2262 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2263 the meaning of the program.
2264 For example, consider:
2265 <programlisting>
2266   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2267 </programlisting>
2268 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2269 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2270 <programlisting>
2271   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2272 </programlisting>
2273 </para></listitem>
2274 </itemizedlist>
2275 </para>
2276
2277 </sect3>
2278
2279 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2280
2281 <para>
2282 Consider these two definitions:
2283 <programlisting>
2284   len1 :: [a] -> Int
2285   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2286
2287   len_acc1 [] = ?acc
2288   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2289
2290   ------------
2291
2292   len2 :: [a] -> Int
2293   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2294
2295   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2296   len_acc2 [] = ?acc
2297   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2298 </programlisting>
2299 The only difference between the two groups is that in the second group
2300 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2301 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2302 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2303 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2304 has a type signature, the recursive call is made to the
2305 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2306 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2307 <programlisting>
2308   Prog> len1 "hello"
2309   0
2310   Prog> len2 "hello"
2311   5
2312 </programlisting>
2313 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2314 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2315 </para>
2316 </sect3>
2317
2318 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2319
2320 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2321 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2322 <programlisting>
2323  f :: Int -> Int
2324   f v = let ?x = 0     in
2325         let y = ?x + v in
2326         let ?x = 5     in
2327         y
2328 </programlisting>
2329 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2330 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2331 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2332 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2333 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2334 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2335 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2336 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2337 <literal>14</literal>.
2338 </para>
2339 </sect3>
2340 </sect2>
2341
2342 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2343 <title>Linear implicit parameters</title>
2344 <para>
2345 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2346 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2347 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2348 </para>
2349 <itemizedlist>
2350 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2351 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2352 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2353 </itemizedlist>
2354
2355 <para>
2356 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2357 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2358 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2359 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2360 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2361 </para>
2362 <para>
2363 For example:
2364 <programlisting>
2365     import GHC.Exts( Splittable )
2366
2367     data NameSupply = ...
2368     
2369     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2370     newName :: NameSupply -> Name
2371
2372     instance Splittable NameSupply where
2373         split = splitNS
2374
2375
2376     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2377     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2378                     where
2379                       x'   = newName %ns
2380                       env' = extend env x x'
2381     ...more equations for f...
2382 </programlisting>
2383 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2384 <itemizedlist>
2385 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2386 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2387 </itemizedlist>
2388 </para>
2389 <para>
2390 So the translation done by the type checker makes
2391 the parameter explicit:
2392 <programlisting>
2393     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2394     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2395                        where
2396                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2397                          x' = newName ns2
2398                          env = extend env x x'
2399 </programlisting>
2400 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2401 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2402 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2403 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2404 <programlisting>
2405         class Splittable a where
2406           split :: a -> (a,a)
2407 </programlisting>
2408 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2409 split for name supplies.  But we can simply write
2410 <programlisting>
2411         g x = (x, %ns, %ns)
2412 </programlisting>
2413 and GHC will infer
2414 <programlisting>
2415         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2416 </programlisting>
2417 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2418 <literal>GHC.Exts</literal>.
2419 </para>
2420 <para>
2421 Other points:
2422 <itemizedlist>
2423 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2424 are entirely distinct implicit parameters: you 
2425   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2426 </listitem>
2427
2428 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2429
2430 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2431   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2432 </itemizedlist>
2433 </para>
2434
2435 <sect3><title>Warnings</title>
2436
2437 <para>
2438 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2439 Consider the example above:
2440 <programlisting>
2441     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2442     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2443                     where
2444                       x'   = newName %ns
2445                       env' = extend env x x'
2446 </programlisting>
2447 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2448 usually a harmless thing to do, we get:
2449 <programlisting>
2450     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2451     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2452                     where
2453                       env' = extend env x (newName %ns)
2454 </programlisting>
2455 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2456 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2457 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2458 the beta rule.
2459 </para>
2460 <para>
2461 Well, this is an experimental change.  With implicit
2462 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2463 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2464 Haskell programs without knowing their typing.
2465 </para>
2466
2467 </sect3>
2468
2469 <sect3><title>Recursive functions</title>
2470 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2471 Consider
2472 <programlisting>
2473         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2474         foo 0 = []
2475         foo n = %x : foo (n-1)
2476 </programlisting>
2477 where T is some type in class Splittable.</para>
2478 <para>
2479 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2480 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2481 </para><para>
2482 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2483 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2484 translated term, where the implicit param is made explicit:
2485 <programlisting>
2486         foo x 0 = []
2487         foo x n = let (x1,x2) = split x
2488                   in x1 : foo x2 (n-1)
2489 </programlisting>
2490 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2491 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2492 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2493 work.  So the translation becomes
2494 <programlisting>
2495         foo x = let
2496                   foom 0 = []
2497                   foom n = x : foom (n-1)
2498                 in
2499                 foom
2500 </programlisting>
2501 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2502 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2503 Yikes!
2504 </para><para>
2505 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2506 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2507 </para>
2508 </sect3>
2509
2510 </sect2>
2511
2512 <sect2 id="sec-kinding">
2513 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2514
2515 <para>
2516 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2517 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2518 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2519 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2520 John Hughes had to define the data type:
2521 <screen>
2522      data Set cxt a = Set [a]
2523                     | Unused (cxt a -> ())
2524 </screen>
2525 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2526 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2527 </para>
2528 <para>
2529 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2530 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2531 <itemizedlist>
2532 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2533 <screen>
2534   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2535 </screen></para></listitem>
2536 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2537 <screen>
2538   type T (f :: * -> *) = f Int
2539 </screen></para></listitem>
2540 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2541 <screen>
2542   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2543 </screen></para></listitem>
2544 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2545 <screen>
2546   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2547 </screen></para></listitem>
2548 </itemizedlist>
2549 </para>
2550
2551 <para>
2552 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2553 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2554 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2555 single lexeme in Haskell.
2556 </para>
2557
2558 <para>
2559 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2560 as well.  Thus:
2561 <screen>
2562    f :: (Int :: *) -> Int
2563    g :: forall a. a -> (a :: *)
2564 </screen>
2565 The syntax is
2566 <screen>
2567    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2568 </screen>
2569 The parentheses are required.
2570 </para>
2571 </sect2>
2572
2573
2574 <sect2 id="universal-quantification">
2575 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2576 </title>
2577
2578 <para>
2579 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2580 allows us to say exactly what this means.  For example:
2581 </para>
2582 <para>
2583 <programlisting>
2584         g :: b -> b
2585 </programlisting>
2586 means this:
2587 <programlisting>
2588         g :: forall b. (b -> b)
2589 </programlisting>
2590 The two are treated identically.
2591 </para>
2592
2593 <para>
2594 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2595 explicit universal quantification in
2596 types. 
2597 For example, all the following types are legal:
2598 <programlisting>
2599     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2600     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2601
2602     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2603     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2604
2605     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2606 </programlisting>
2607 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2608 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2609 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2610 is implicitly added by Haskell.
2611 </para>
2612 <para>
2613 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2614 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2615 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2616 </para>
2617 <para>
2618 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2619 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2620 </para>
2621 <para>
2622 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2623 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2624 that restriction has now been lifted.)
2625 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2626 including an operational type class context, is legal:
2627 <itemizedlist>
2628 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2629 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2630 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2631 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2632 field type signatures.</para> </listitem>
2633 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2634 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2635 </itemizedlist>
2636 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2637 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2638 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2639 <programlisting>
2640     x1 :: [forall a. a->a]
2641     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2642     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2643 </programlisting>
2644 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2645 a type variable any more!
2646 </para>
2647
2648
2649 <sect3 id="univ">
2650 <title>Examples
2651 </title>
2652
2653 <para>
2654 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2655 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2656 </para>
2657
2658 <para>
2659
2660 <programlisting>
2661 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2662
2663 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2664                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2665                         }
2666
2667 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2668 </programlisting>
2669
2670 </para>
2671
2672 <para>
2673 The constructors have rank-2 types:
2674 </para>
2675
2676 <para>
2677
2678 <programlisting>
2679 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2680 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2681                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2682                   -> MonadT m
2683 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2684 </programlisting>
2685
2686 </para>
2687
2688 <para>
2689 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2690 explicit context.  For example in the first argument of the
2691 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2692 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2693 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2694 mentioned in the type quantified over.
2695 </para>
2696
2697 <para>
2698 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2699 types too.  So if you write this:
2700
2701 <programlisting>
2702   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2703 </programlisting>
2704
2705 it's just as if you had written this:
2706
2707 <programlisting>
2708   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2709 </programlisting>
2710
2711 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2712 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2713 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2714 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2715 </para>
2716
2717 <para>
2718 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2719 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2720 </para>
2721
2722 <para>
2723
2724 <programlisting>
2725     a1 :: T Int
2726     a1 = T1 (\xy->x) 3
2727     
2728     a2, a3 :: Swizzle
2729     a2 = MkSwizzle sort
2730     a3 = MkSwizzle reverse
2731     
2732     a4 :: MonadT Maybe
2733     a4 = let r x = Just x
2734              b m k = case m of
2735                        Just y -> k y
2736                        Nothing -> Nothing
2737          in
2738          MkMonad r b
2739
2740     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2741     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2742 </programlisting>
2743
2744 </para>
2745
2746 <para>
2747 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2748 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2749 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2750 </para>
2751
2752 <para>
2753 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2754 polymorphic types.  For example:
2755 </para>
2756
2757 <para>
2758
2759 <programlisting>
2760     f :: T a -> a -> (a, Char)
2761     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2762
2763     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2764     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2765
2766     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2767     h m [] = return m []
2768     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2769                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2770                  return m (y:ys)
2771 </programlisting>
2772
2773 </para>
2774
2775 <para>
2776 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2777 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2778 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2779 matching.
2780 </para>
2781 </sect3>
2782
2783 <sect3>
2784 <title>Type inference</title>
2785
2786 <para>
2787 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2788 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2789 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2790 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2791 </para>
2792 <para>
2793 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2794 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2795 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2796 </para>
2797 <para>
2798 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2799 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2800 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2801 <programlisting>
2802      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2803 </programlisting>
2804 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2805 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2806 <programlisting>
2807      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2808 </programlisting>
2809 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2810 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2811 one can give a type signature for the function itself:
2812 <programlisting>
2813      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2814      h f = (f True, f 'c')
2815 </programlisting>
2816 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2817 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2818 <programlisting>
2819     f :: T a -> a -> (a, Char)
2820     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2821 </programlisting>
2822 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2823 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2824 it needs to know.
2825 </para>
2826
2827 </sect3>
2828
2829
2830 <sect3 id="implicit-quant">
2831 <title>Implicit quantification</title>
2832
2833 <para>
2834 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2835 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2836 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2837 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2838 equivalent:
2839 <programlisting>
2840   f :: a -> a
2841   f :: forall a. a -> a
2842
2843   g (x::a) = let
2844                 h :: a -> b -> b
2845                 h x y = y
2846              in ...
2847   g (x::a) = let
2848                 h :: forall b. a -> b -> b
2849                 h x y = y
2850              in ...
2851 </programlisting>
2852 </para>
2853 <para>
2854 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2855 point.  For example:
2856 <programlisting>
2857   f :: (a -> a) -> Int
2858            -- MEANS
2859   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2860            -- NOT
2861   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2862
2863
2864   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2865            -- MEANS the illegal type
2866   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2867            -- NOT
2868   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2869 </programlisting>
2870 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2871 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2872 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2873 for rank-2 types.
2874 </para>
2875 </sect3>
2876 </sect2>
2877
2878
2879
2880
2881 <sect2 id="scoped-type-variables">
2882 <title>Scoped type variables
2883 </title>
2884
2885 <para>
2886 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2887 <itemizedlist>
2888 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2889 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2890 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2891 </itemizedlist>
2892 For example:
2893 <programlisting>
2894 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2895            where
2896               ys :: [a]
2897               ys = reverse xs
2898 </programlisting>
2899 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2900 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2901 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2902 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2903 </para>
2904
2905 <para>
2906 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2907 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2908 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2909 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2910 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2911 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2912 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2913 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2914 it becomes possible to do so.
2915 </para>
2916
2917 <para>
2918 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2919 implementations differ from the specification below, those differences
2920 are noted.
2921 </para>
2922
2923 <para>
2924 So much for the basic idea.  Here are the details.
2925 </para>
2926
2927 <sect3>
2928 <title>What a scoped type variable means</title>
2929 <para>
2930 A lexically-scoped type variable is simply
2931 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2932 of the same name mean the same type.  For example:
2933 <programlisting>
2934   f :: [Int] -> Int -> Int
2935   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2936 </programlisting>
2937 The pattern type signatures on the left hand side of
2938 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2939 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2940 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2941 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2942 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2943 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2944 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2945 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2946 For example, all of these are legal:</para>
2947
2948 <programlisting>
2949   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2950
2951   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2952
2953   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2954
2955   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2956         in k x                  -- environment
2957
2958   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2959   k (x::Int) False = ...
2960
2961   w :: [b] -> [b]
2962   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2963 </programlisting>
2964
2965 </sect3>
2966
2967 <sect3>
2968 <title>Scope and implicit quantification</title>
2969
2970 <para>
2971
2972 <itemizedlist>
2973 <listitem>
2974
2975 <para>
2976 All the type variables mentioned in a pattern,
2977 that are not already in scope,
2978 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2979 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2980 For example:
2981 <programlisting>
2982   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2983              in
2984              g (x,True)
2985 </programlisting>
2986 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2987 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2988 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2989 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2990 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2991 </para>
2992 </listitem>
2993
2994 <listitem>
2995 <para>
2996 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2997 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2998 <programlisting>
2999   let
3000     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
3001     (p::b, q::b) = (1,2)
3002   in &lt;...body of let...>
3003 </programlisting>
3004 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
3005 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
3006 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
3007 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
3008 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
3009 type signatures in the <literal>let</literal> group.
3010 </para>
3011 </listitem>
3012
3013
3014 <listitem>
3015 <para>
3016 The type variables bound by the pattern may be 
3017 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
3018 type signatures anywhere within their scope.
3019
3020 </para>
3021 </listitem>
3022
3023 <listitem>
3024 <para>
3025  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3026 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3027
3028 </para>
3029 </listitem>
3030
3031 <listitem>
3032
3033 <para>
3034  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3035 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3036
3037 <programlisting>
3038   f :: a -> a
3039   f x = x::a
3040 </programlisting>
3041
3042 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3043 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3044 and that is an incorrect typing.
3045
3046 </para>
3047 </listitem>
3048
3049 <listitem>
3050 <para>
3051 The pattern type signature is a monotype:
3052 </para>
3053
3054 <itemizedlist>
3055 <listitem> <para> 
3056 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3057 </para> </listitem>
3058
3059 <listitem>  <para> 
3060 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3061 not to type schemes.
3062 </para> </listitem>
3063
3064 <listitem>  <para> 
3065 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3066 ordinary type signatures).
3067 </para> </listitem>
3068
3069 </itemizedlist>
3070
3071 </listitem>
3072
3073 <listitem>
3074 <para>
3075
3076 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3077 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3078
3079
3080 <programlisting>
3081   class C a where
3082     op :: [a] -> a
3083
3084     op xs = let ys::[a]
3085                 ys = reverse xs
3086             in
3087             head ys
3088 </programlisting>
3089
3090
3091 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3092 </para>
3093 </listitem>
3094
3095 </itemizedlist>
3096
3097 </para>
3098
3099 </sect3>
3100
3101 <sect3 id="decl-type-sigs">
3102 <title>Declaration type signatures</title>
3103 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3104 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3105 explicitly-quantified
3106 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3107 <programlisting>
3108   f :: forall a. [a] -> [a]
3109   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3110 </programlisting>
3111 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3112 the definition of "<literal>f</literal>".
3113 </para>
3114 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3115 signature is explicit.  For example:
3116 <programlisting>
3117   g :: [a] -> [a]
3118   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3119 </programlisting>
3120 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3121 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3122 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3123 quantification rules.
3124 </para>
3125 </sect3>
3126
3127 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3128 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3129
3130 <para>
3131 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3132 <itemizedlist>
3133
3134 <listitem>
3135 <para>
3136 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3137 just on a variable:
3138
3139
3140 <programlisting>
3141   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3142 </programlisting>
3143
3144
3145 </para>
3146 </listitem>
3147 <listitem>
3148
3149 <para>
3150  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3151 in lambda abstractions:
3152
3153 <programlisting>
3154   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3155 </programlisting>
3156 </para>
3157 </listitem>
3158 <listitem>
3159
3160 <para>
3161  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3162 in <literal>case</literal> expressions:
3163
3164 <programlisting>
3165   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3166 </programlisting>
3167
3168 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3169 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3170 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3171 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3172 arrow and give a parse error later.
3173
3174 </para>
3175
3176 </listitem>
3177
3178 <listitem>
3179 <para>
3180 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3181 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3182 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3183 consider how one would parse this:
3184
3185
3186 <programlisting>
3187   \ x :: a -> b -> x
3188 </programlisting>
3189
3190
3191 </para>
3192 </listitem>
3193
3194 <listitem>
3195
3196 <para>
3197  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3198 For example:
3199
3200
3201 <programlisting>
3202   data T = forall a. MkT [a]
3203
3204   f :: T -> T
3205   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3206                  where
3207                    t3::[a] = [t,t,t]
3208 </programlisting>
3209
3210
3211 </para>
3212 </listitem>
3213
3214
3215 <listitem>
3216
3217 <para>
3218 Pattern type signatures 
3219 can be used in pattern bindings:
3220
3221 <programlisting>
3222   f x = let (y, z::a) = x in ...
3223   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3224   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3225   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3226 </programlisting>
3227
3228 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3229 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3230 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3231 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3232 In contrast, the binding
3233 <programlisting>
3234   f4 :: b->b
3235   f4 = \x -> x
3236 </programlisting>
3237 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3238 in <literal>f4</literal>'s scope.
3239
3240 </para>
3241 </listitem>
3242 </itemizedlist>
3243 </para>
3244 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3245 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3246
3247 </sect3>
3248
3249 <sect3 id="result-type-sigs">
3250 <title>Result type signatures</title>
3251
3252 <para>
3253 The result type of a function can be given a signature, thus:
3254
3255
3256 <programlisting>
3257   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3258 </programlisting>
3259
3260
3261 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3262 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3263 you want:
3264
3265
3266 <programlisting>
3267   f :: Int -> [a] -> [a]
3268   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3269                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3270 </programlisting>
3271
3272 </para>
3273 <para>
3274 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3275 of the definition. However, consider this corner-case:
3276 <programlisting>
3277   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3278
3279   foo ys = rev (ys::[a])
3280 </programlisting>
3281 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3282 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3283 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3284 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3285 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3286 </para>
3287 <para>
3288 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3289 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3290 is polymorphic:
3291 <programlisting>
3292   rev1 :: [b] -> [b]
3293   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3294 </programlisting>
3295 </para>
3296
3297 <para>
3298 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3299 </para>
3300
3301 </sect3>
3302
3303 </sect2>
3304
3305 <sect2 id="deriving-typeable">
3306 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3307
3308 <para>
3309 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3310 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3311 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3312 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3313 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3314 </para>
3315 <para>
3316 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3317 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3318 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3319 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3320 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3321 </para>
3322 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3323 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3324 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3325 described in
3326 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3327 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3328 </ulink>.
3329 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3330 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3331 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3332 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3333 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3334 then writing the data type instance by hand.
3335 </para>
3336 </sect2>
3337
3338 <sect2 id="newtype-deriving">
3339 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3340
3341 <para>
3342 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3343 the new type to inherit some instances from its representation. In
3344 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3345 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3346 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3347 example, if you define
3348
3349 <programlisting> 
3350   newtype Dollars = Dollars Int 
3351 </programlisting> 
3352
3353 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3354 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3355
3356 <programlisting> 
3357   instance Num Dollars where
3358     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3359     ...
3360 </programlisting>
3361 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3362 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3363 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3364 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3365 dictionary, only slower!
3366 </para>
3367
3368
3369 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3370 <para>
3371 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3372 <programlisting> 
3373   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3374 </programlisting> 
3375
3376 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3377 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3378 derives an instance declaration of the form
3379
3380 <programlisting> 
3381   instance Num Int => Num Dollars
3382 </programlisting> 
3383
3384 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3385 </para>
3386 <para>
3387
3388 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3389 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3390 transformers, such that
3391
3392 <programlisting> 
3393   instance Monad m => Monad (State s m) 
3394   instance Monad m => Monad (Failure m)
3395 </programlisting> 
3396 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3397 <programlisting> 
3398   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3399 </programlisting> 
3400
3401 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3402 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3403 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3404
3405 <programlisting> 
3406   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3407                          deriving Monad
3408 </programlisting>
3409 In this case the derived instance declaration is of the form 
3410 <programlisting> 
3411   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3412 </programlisting> 
3413
3414 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3415 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3416 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3417 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3418 declaration.
3419 </para>
3420 <para>
3421
3422 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3423 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3424 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3425 clause. For example, given the class
3426
3427 <programlisting> 
3428   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3429   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3430 </programlisting> 
3431 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3432 <programlisting> 
3433   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3434                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3435 </programlisting>
3436
3437 The derived instance is obtained by completing the application of the
3438 class to the new type:
3439
3440 <programlisting> 
3441   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3442            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3443 </programlisting>
3444 </para>
3445 <para>
3446
3447 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3448  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3449 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3450 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3451 the newtype and its representation.
3452 </para>
3453 </sect3>
3454
3455 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3456 <para>
3457 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3458 declaration (after expansion of any type synonyms)
3459
3460 <programlisting> 
3461   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3462 </programlisting> 
3463
3464 where 
3465  <itemizedlist>
3466 <listitem><para>
3467   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3468 </para></listitem>
3469 <listitem><para>
3470   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3471 </para></listitem>
3472 <listitem><para>
3473   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3474   the <literal>ti</literal>, and
3475 </para></listitem>
3476 <listitem><para>
3477   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3478   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3479   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3480 </para></listitem>
3481 <listitem><para>
3482   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3483                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3484                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3485                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3486                 via this new mechanism.  
3487 </para></listitem>
3488 </itemizedlist>
3489 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3490 declaration is:
3491 <programlisting> 
3492   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3493 </programlisting>
3494 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3495 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3496 </para>
3497 <para>
3498
3499 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3500 <programlisting> 
3501   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3502 </programlisting> 
3503 Here we cannot derive the instance 
3504 <programlisting> 
3505   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3506 </programlisting> 
3507
3508 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3509 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3510 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3511 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3512 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3513 </para>
3514 <para>
3515
3516 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3517 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3518 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3519
3520 <programlisting> 
3521   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3522 </programlisting>
3523
3524 then we would not have been able to derive an instance for the
3525 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3526 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3527 instances is most interesting.
3528 </para>
3529 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3530 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3531 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3532 4.3.3. of the Haskell Report).
3533 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3534 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3535 the standard method is used or the one described here.)
3536 </para>
3537 </sect3>
3538
3539 </sect2>
3540
3541 <sect2 id="typing-binds">
3542 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3543
3544 <para>
3545 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3546 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3547 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3548 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3549 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3550 As each group is type-checked, any binders of the group that
3551 have
3552 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3553 polymorphic type,
3554 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3555 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3556 </para>
3557
3558 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3559 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3560 Haskell</ulink>,
3561 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3562 specified:
3563 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3564 type signature</emphasis>.
3565 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3566 typecheck.  For example, consider:
3567 <programlisting>
3568   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3569   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3570   
3571   g y = (y &lt;= y) || f True
3572 </programlisting>
3573 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3574 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3575 <literal>f</literal>,
3576 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3577 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3578 type is generalised, to get
3579 <programlisting>
3580   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3581 </programlisting>
3582 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3583 <literal>g</literal> in the type environment.
3584 </para>
3585
3586 <para>
3587 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3588 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3589 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3590 <option>-fglasgow-exts</option>
3591 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3592 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3593 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3594 <programlisting>
3595   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3596   f x = (x == x) || g True
3597   
3598   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3599   g y = (y &lt;= y) || f True
3600 </programlisting>
3601 </para>
3602 </sect2>
3603
3604 </sect1>
3605 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3606   
3607 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3608
3609 <sect1 id="gadt">
3610 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3611
3612 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3613 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3614 <programlisting>
3615   data Term a where
3616       Lit    :: Int -> Term Int
3617       Succ   :: Term Int -> Term Int
3618       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3619       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3620       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3621 </programlisting>
3622 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3623 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3624 for these <literal>Terms</literal>:
3625 <programlisting>
3626   eval :: Term a -> a
3627   eval (Lit i)      = i
3628   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3629   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3630   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3631   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3632 </programlisting>
3633 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3634 </para>
3635 <para> The extensions to GHC are these:
3636 <itemizedlist>
3637 <listitem><para>
3638   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3639 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3640 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3641 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3642 <programlisting>
3643   data Term :: * -> * where ...
3644 </programlisting>
3645 or even a mixture of the two:
3646 <programlisting>
3647   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3648 </programlisting>
3649 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3650 like this:
3651 <programlisting>
3652   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3653 </programlisting>
3654 </para></listitem>
3655
3656 <listitem><para>
3657 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3658 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3659 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3660 </para></listitem>
3661
3662 <listitem><para>
3663 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3664
3665 <programlisting>
3666   data Term a where
3667       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3668       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3669       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3670       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3671       Pair   { arg1 :: Term a
3672              , arg2 :: Term b
3673              }                    :: Term (a,b)
3674       If     { cnd  :: Term Bool
3675              , tru  :: Term a
3676              , fls  :: Term a
3677              }                    :: Term a
3678 </programlisting>
3679 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3680 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3681 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3682 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3683 fields above into a 
3684 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3685 their selector functions actually have different types:
3686
3687 <programlisting>
3688   num :: Term Int -> Term Int
3689   arg :: Term Bool -> Term Int
3690 </programlisting>
3691
3692 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3693 limited to record construction, selection and pattern matching:
3694
3695 <programlisting>
3696   someTerm :: Term Bool
3697   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3698
3699   eval :: Term a -> a
3700   eval Lit    { val = i } = i
3701   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3702   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3703   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3704   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3705   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3706 </programlisting>
3707
3708 </para></listitem>
3709
3710 <listitem><para>
3711 You can use strictness annotations, in the obvious places
3712 in the constructor type:
3713 <programlisting>
3714   data Term a where
3715       Lit    :: !Int -> Term Int
3716       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3717       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3718 </programlisting>
3719 </para></listitem>
3720
3721 <listitem><para>
3722 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3723 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3724 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3725 <programlisting>
3726   data Maybe1 a where {
3727       Nothing1 :: Maybe a ;
3728       Just1    :: a -> Maybe a
3729     } deriving( Eq, Ord )
3730
3731   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3732        deriving( Eq, Ord )
3733 </programlisting>
3734 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3735 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3736 </para></listitem>
3737
3738 <listitem><para>
3739 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3740 <programlisting>
3741   eval :: Term a -> a
3742   eval (Lit i) =  ...
3743 </programlisting>
3744 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3745 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3746 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3747
3748 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3749 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3750 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3751 <programlisting>
3752   eval :: Term a -> a -> a
3753   eval (Lit i) j =  i+j
3754 </programlisting>
3755 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3756 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3757 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3758 </para>
3759 </listitem>
3760 </itemizedlist>
3761 </para>
3762
3763 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3764 <programlisting>
3765   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3766   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3767 </programlisting>
3768 </para>
3769 </sect1>
3770
3771 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3772
3773 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3774
3775 <sect1 id="template-haskell">
3776 <title>Template Haskell</title>
3777
3778 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3779 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3780 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3781 the background to
3782 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3783 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3784 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3785 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3786 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3787 (search for the type ExpQ).
3788 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3789       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3790 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3791 </para>
3792
3793 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3794 </para>
3795
3796 <para>
3797 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3798 Tim Sheard is going to expand it.)
3799 </para>
3800
3801     <sect2>
3802       <title>Syntax</title>
3803
3804       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3805       constructions.  You need to use the flag
3806       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3807       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3808       (<option>-fth</option> is currently implied by
3809       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3810       specify it explicitly).</para>
3811
3812         <itemizedlist>
3813               <listitem><para>
3814                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3815                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3816                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3817                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3818                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3819                   </para>
3820               <para> A splice can occur in place of 
3821                   <itemizedlist>
3822                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3823                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3824                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3825                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3826                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3827                     </itemizedlist>
3828            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3829         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3830         as in the paper.)
3831                 </para></listitem>
3832
3833
3834               <listitem><para>
3835                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3836                   <itemizedlist>
3837                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3838                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3839                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3840                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3841                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3842                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3843                   </itemizedlist></para></listitem>
3844
3845               <listitem><para>
3846                   Reification is written thus:
3847                   <itemizedlist>
3848                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3849                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3850                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3851                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3852                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3853                     
3854                   </itemizedlist></para>
3855                 </listitem>
3856
3857                   
3858         </itemizedlist>
3859 </sect2>
3860
3861 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3862 <para>
3863 <itemizedlist>
3864     <listitem><para>
3865     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3866     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3867     </para></listitem>
3868
3869     <listitem><para>
3870     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3871             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3872             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3873    </para></listitem>
3874
3875     <listitem><para>
3876             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3877    </para></listitem>
3878     <listitem><para>
3879             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3880               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3881               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3882               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3883               those of the compiler itself.
3884    </para></listitem>
3885 </itemizedlist>
3886 </para>
3887 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3888         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3889         has been lifted.
3890 </para>
3891 </sect2>
3892  
3893 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3894 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3895   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3896
3897 <programlisting>
3898
3899 {- Main.hs -}
3900 module Main where
3901
3902 -- Import our template "pr"
3903 import Printf ( pr )
3904
3905 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3906 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3907 -- the argument of "putStrLn".
3908 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3909
3910
3911 {- Printf.hs -}
3912 module Printf where
3913
3914 -- Skeletal printf from the paper.
3915 -- It needs to be in a separate module to the one where
3916 -- you intend to use it.
3917
3918 -- Import some Template Haskell syntax
3919 import Language.Haskell.TH
3920
3921 -- Describe a format string
3922 data Format = D | S | L String
3923
3924 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3925 -- as we are here interested in building our first ever
3926 -- Template Haskell program and not in building printf.
3927 parse :: String -> [Format]
3928 parse s   = [ L s ]
3929
3930 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3931 -- of the format string.  This code will be spliced into
3932 -- the module which calls "pr", at compile time.
3933 gen :: [Format] -> ExpQ
3934 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3935 gen [S]   = [| \s -> s |]
3936 gen [L s] = stringE s
3937
3938 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3939 -- from an input format string.
3940 pr :: String -> ExpQ
3941 pr s      = gen (parse s)
3942 </programlisting>
3943
3944 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3945 </para>
3946 <programlisting>
3947 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3948 </programlisting>
3949
3950 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3951
3952 <programlisting>
3953 $ ./main
3954 Hello
3955 </programlisting>
3956
3957 </sect2>
3958  
3959 </sect1>
3960
3961 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3962
3963 <sect1 id="arrow-notation">
3964 <title>Arrow notation
3965 </title>
3966
3967 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3968 For more details, see
3969 <itemizedlist>
3970
3971 <listitem>
3972 <para>
3973 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3974 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3975 pp67&ndash;111, May 2000.
3976 </para>
3977 </listitem>
3978
3979 <listitem>
3980 <para>
3981 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3982 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3983 </para>
3984 </listitem>
3985
3986 <listitem>
3987 <para>
3988 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3989 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3990 Palgrave, 2003.
3991 </para>
3992 </listitem>
3993
3994 </itemizedlist>
3995 and the arrows web page at
3996 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3997 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3998 notation described in the second of these papers.
3999 What follows is a brief introduction to the notation;
4000 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
4001 This notation is translated to ordinary Haskell,
4002 using combinators from the
4003 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4004 module.
4005 </para>
4006
4007 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
4008 <screen>
4009 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
4010        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4011 </screen>
4012 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
4013 The variables of the pattern are bound in the body of the 
4014 <literal>proc</literal>-expression,
4015 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
4016 The syntax of commands is as follows:
4017 <screen>
4018 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
4019        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4020        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4021 </screen>
4022 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4023 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4024 infix operators as for expressions, and
4025 <screen>
4026 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4027        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4028        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4029        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4030        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4031        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4032
4033 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4034        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4035        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4036
4037 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4038        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4039        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4040        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4041 </screen>
4042 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4043 except that the bodies are commands instead of expressions.
4044 </para>
4045
4046 <para>
4047 Commands produce values, but (like monadic computations)
4048 may yield more than one value,
4049 or none, and may do other things as well.
4050 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4051 using commands.
4052 However the values of expressions, even monadic ones,
4053 are determined by the values of the variables they contain;
4054 this is not necessarily the case for commands.
4055 </para>
4056
4057 <para>
4058 A simple example of the new notation is the expression
4059 <screen>
4060 proc x -> f -&lt; x+1
4061 </screen>
4062 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4063 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4064 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4065 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4066 It refers to the input to the arrow.
4067 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4068 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4069 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4070 (The weird look will make more sense later.)
4071 It may be read as analogue of application for arrows.
4072 The above example is equivalent to the Haskell expression
4073 <screen>
4074 arr (\ x -> x+1) >>> f
4075 </screen>
4076 That would make no sense if the expression to the left of
4077 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4078 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4079 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4080 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4081 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4082 <screen>
4083 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4084 </screen>
4085 which is equivalent to
4086 <screen>
4087 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4088 </screen>
4089 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4090 class.
4091 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4092 you may find a monadic formulation more convenient.
4093 </para>
4094
4095 <sect2>
4096 <title>do-notation for commands</title>
4097
4098 <para>
4099 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4100 For example, you can write
4101 <screen>
4102 proc x -> do
4103         y &lt;- f -&lt; x+1
4104         g -&lt; 2*y
4105         let z = x+y
4106         t &lt;- h -&lt; x*z
4107         returnA -&lt; t+z
4108 </screen>
4109 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4110 but with commands in place of monadic expressions.
4111 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4112 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4113 <literal>y</literal>.
4114 In the next line, the output is discarded.
4115 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4116 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4117 module as <literal>arr id</literal>.
4118 The above example is treated as an abbreviation for
4119 <screen>
4120 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4121         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4122         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4123         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4124         arr snd >>>
4125         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4126         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4127         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4128         returnA
4129 </screen>
4130 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4131 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4132 defined in the
4133 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4134 module, this reduces to
4135 <screen>
4136 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4137         first f >>>
4138         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4139         first g >>>
4140         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4141         first h >>>
4142         arr (\ (t, z) -> t+z)
4143 </screen>
4144 which is what you might have written by hand.
4145 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4146 </para>
4147
4148 <para>
4149 Note that although the above translation suggests that
4150 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4151 monomorphic, the actual translation produces Core,
4152 so polymorphic variables are allowed.
4153 </para>
4154
4155 <para>
4156 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4157 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4158 <programlisting>
4159 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4160 counter = proc reset -> do
4161         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4162                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4163         returnA -&lt; output
4164 </programlisting>
4165 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4166 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4167 </para>
4168
4169 </sect2>
4170
4171 <sect2>
4172 <title>Conditional commands</title>
4173
4174 <para>
4175 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4176 input for an arrow.
4177 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4178 <screen>
4179 proc (x,y) ->
4180         if f x y
4181         then g -&lt; x+1
4182         else h -&lt; y+2
4183 </screen>
4184 which is translated to
4185 <screen>
4186 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4187         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4188 </screen>
4189 Since the translation uses <function>|||</function>,
4190 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4191 </para>
4192
4193 <para>
4194 There are also <literal>case</literal> commands, like
4195 <screen>
4196 case input of
4197     [] -> f -&lt; ()
4198     [x] -> g -&lt; x+1
4199     x1:x2:xs -> do
4200         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4201         ys &lt;- k -&lt; xs
4202         returnA -&lt; y:ys
4203 </screen>
4204 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4205 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4206 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4207 </para>
4208
4209 </sect2>
4210
4211 <sect2>
4212 <title>Defining your own control structures</title>
4213
4214 <para>
4215 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4216 modelled on those for expressions,
4217 for sequencing, value recursion and conditionals.
4218 But suitable combinators,
4219 which you can define in ordinary Haskell,
4220 may also be used to build new commands out of existing ones.
4221 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4222 These environments assign values to the free local variables of the command.
4223 Thus combinators that produce arrows from arrows
4224 may also be used to build commands from commands.
4225 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4226 <programlisting>
4227 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4228 </programlisting>
4229 so we can use it to build commands:
4230 <programlisting>
4231 expr' = proc x -> do
4232                 returnA -&lt; x
4233         &lt;+> do
4234                 symbol Plus -&lt; ()
4235                 y &lt;- term -&lt; ()
4236                 expr' -&lt; x + y
4237         &lt;+> do
4238                 symbol Minus -&lt; ()
4239                 y &lt;- term -&lt; ()
4240                 expr' -&lt; x - y
4241 </programlisting>
4242 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4243 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4244 expression on the previous line.)
4245 This is equivalent to
4246 <programlisting>
4247 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4248         &lt;+> (proc x -> do
4249                 symbol Plus -&lt; ()
4250                 y &lt;- term -&lt; ()
4251                 expr' -&lt; x + y)
4252         &lt;+> (proc x -> do
4253                 symbol Minus -&lt; ()
4254                 y &lt;- term -&lt; ()
4255                 expr' -&lt; x - y)
4256 </programlisting>
4257 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4258 (representing the environment input to the command
4259 and thence to its subcommands)
4260 and satisfy the corresponding naturality property
4261 <screen>
4262 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4263 </screen>
4264 at least for strict <literal>k</literal>.
4265 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4266 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4267 of the whole command,
4268 and also allows the translation to safely trim these environments.
4269 The operator must also not use any variable defined within the current
4270 arrow abstraction.
4271 </para>
4272
4273 <para>
4274 We could define our own operator
4275 <programlisting>
4276 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4277 untilA body cond = proc x ->
4278         if cond x then returnA -&lt; ()
4279         else do
4280                 body -&lt; x
4281                 untilA body cond -&lt; x
4282 </programlisting>
4283 and use it in the same way.
4284 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4285 there is also a more general syntax involving special brackets:
4286 <screen>
4287 proc x -> do
4288         y &lt;- f -&lt; x+1
4289         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4290 </screen>
4291 </para>
4292
4293 </sect2>
4294
4295 <sect2>
4296 <title>Primitive constructs</title>
4297
4298 <para>
4299 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4300 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4301 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4302 exception that occurred to the handler.
4303 Such an operator might have a type
4304 <screen>
4305 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4306 </screen>
4307 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4308 You could then use this with arrow notation by writing a command
4309 <screen>
4310 body `handleA` \ ex -> handler
4311 </screen>
4312 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4313 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4314 and the command <literal>handler</literal>,
4315 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4316 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4317 we are talking about commands, and something different is going on.
4318 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4319 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4320 In all the prior examples, this stack was empty.
4321 In the second argument to <function>handleA</function>,
4322 this stack consists of one value, the value of the exception.
4323 The command form of lambda merely gives this value a name.
4324 </para>
4325
4326 <para>
4327 More concretely,
4328 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4329 So operators like <function>handleA</function> that pass
4330 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4331 by pairing the values with the environment in this way.
4332 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4333 should have the form
4334 <screen>
4335 a (...(e,t1), ... tn) t
4336 </screen>
4337 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4338 (representing the environment)
4339 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4340 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4341 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4342 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4343 <replaceable>t</replaceable>.
4344 However the arrows involved need not be the same.
4345 Here are some more examples of suitable operators:
4346 <screen>
4347 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4348 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4349 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4350 </screen>
4351 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4352 by applying them to ordinary expressions, as in
4353 <screen>
4354 proc x -> do
4355         s &lt;- ...
4356         (|runReader (do { ... })|) s
4357 </screen>
4358 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4359 built using <function>runReader</function>.
4360 </para>
4361
4362 <para>
4363 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4364 the expression versions.
4365 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4366 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4367 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4368 though the results would be somewhat clumsy.
4369 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4370 <programlisting>
4371 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4372 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4373
4374 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4375 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4376 </programlisting>
4377 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4378 <programlisting>
4379 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4380 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4381 </programlisting>
4382 </para>
4383
4384 </sect2>
4385
4386 <sect2>
4387 <title>Differences with the paper</title>
4388
4389 <itemizedlist>
4390
4391 <listitem>
4392 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4393 translations, the implementation provides two forms
4394 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4395 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4396 </para>
4397 </listitem>
4398
4399 <listitem>
4400 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4401 a new <literal>form</literal> keyword.
4402 </para>
4403 </listitem>
4404
4405 </itemizedlist>
4406
4407 </sect2>
4408
4409 <sect2>
4410 <title>Portability</title>
4411
4412 <para>
4413 Although only GHC implements arrow notation directly,
4414 there is also a preprocessor
4415 (available from the 
4416 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4417 that translates arrow notation into Haskell 98
4418 for use with other Haskell systems.
4419 You would still want to check arrow programs with GHC;
4420 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4421 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4422 additional restrictions:
4423 <itemizedlist>
4424
4425 <listitem>
4426 <para>
4427 The module must import
4428 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4429 </para>
4430 </listitem>
4431
4432 <listitem>
4433 <para>
4434 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4435 These would have to go in separate modules.
4436 </para>
4437 </listitem>
4438
4439 <listitem>
4440 <para>
4441 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4442 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4443 </para>
4444 </listitem>
4445
4446 </itemizedlist>
4447 </para>
4448
4449 </sect2>
4450
4451 </sect1>
4452
4453 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4454
4455 <sect1 id="sec-assertions">
4456 <title>Assertions
4457 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4458 </title>
4459
4460 <para>
4461 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4462 could define a function like the following:
4463 </para>
4464
4465 <para>
4466
4467 <programlisting>
4468 assert :: Bool -> a -> a
4469 assert False x = error "assertion failed!"
4470 assert _     x = x
4471 </programlisting>
4472
4473 </para>
4474
4475 <para>
4476 which works, but gives you back a less than useful error message --
4477 an assertion failed, but which and where?
4478 </para>
4479
4480 <para>
4481 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4482 takes a descriptive string to include in the error message and
4483 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4484 the source location where <function>assert</function> was used.
4485 </para>
4486
4487 <para>
4488 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4489 use of <function>assert</function> in the user's source:
4490 </para>
4491
4492 <para>
4493
4494 <programlisting>
4495 kelvinToC :: Double -> Double
4496 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4497 </programlisting>
4498
4499 </para>
4500
4501 <para>
4502 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4503 assertion was made,
4504 </para>
4505
4506 <para>
4507
4508 <programlisting>
4509 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4510 </programlisting>
4511
4512 </para>
4513
4514 <para>
4515 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4516 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4517 can still define and use your own versions of
4518 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4519 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4520 <function>assert</function> in your code.
4521 </para>
4522
4523 <para>
4524 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4525       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4526 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4527 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4528       <option>-fignore-asserts</option>
4529       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4530       </indexterm>.</para>
4531
4532 <para>
4533 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4534 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4535 </para>
4536
4537 </sect1>
4538
4539
4540 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4541
4542   <sect1 id="pragmas">
4543     <title>Pragmas</title>
4544
4545     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4546
4547     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4548     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4549     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4550     of the generated code.</para>
4551
4552     <para>Pragmas all take the form
4553
4554 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4555
4556     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4557     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4558     type of pragma.  Case is ignored in
4559     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4560     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4561     in the following sections; any pragma encountered with an
4562     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4563     ignored.</para>
4564
4565     <sect2 id="deprecated-pragma">
4566       <title>DEPRECATED pragma</title>
4567       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4568       </indexterm>
4569
4570       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4571       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4572       forms.
4573
4574       <itemizedlist>
4575         <listitem>
4576           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4577 <programlisting>
4578    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4579      ...
4580 </programlisting>
4581           <para>When you compile any module that import
4582           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4583           message.</para>
4584         </listitem>
4585
4586         <listitem>
4587           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4588           following top-level declaration:</para>
4589 <programlisting>
4590    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4591 </programlisting>
4592           <para>When you compile any module that imports and uses any
4593           of the specified entities, GHC will print the specified
4594           message.</para>
4595           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4596           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4597           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4598           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4599           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4600           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4601           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4602         </listitem>
4603       </itemizedlist>
4604       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4605       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4606       deprecations are not reported for
4607       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4608       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4609       The latter reduces spurious complaints within a library
4610       in which one module gathers together and re-exports 
4611       the exports of several others.
4612       </para>
4613       <para>You can suppress the warnings with the flag
4614       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4615     </sect2>
4616
4617     <sect2 id="include-pragma">
4618       <title>INCLUDE pragma</title>
4619
4620       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4621         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4622         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4623         compiling via C).  For example:</para>
4624
4625 <programlisting>
4626 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4627 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4628
4629       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4630         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4631         pragma(s).</para>
4632
4633       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4634         to the <option>-#include</option> option (<xref
4635           linkend="options-C-compiler" />), because the
4636         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4637         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4638         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4639         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4640     </sect2>
4641
4642     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4643       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4644
4645       <para>These pragmas control the inlining of function
4646       definitions.</para>
4647
4648       <sect3 id="inline-pragma">
4649         <title>INLINE pragma</title>
4650         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4651
4652         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4653         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4654         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4655         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4656         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4657         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4658         export that unfolding for other modules to use.</para>
4659
4660         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4661         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4662         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4663
4664 <programlisting>
4665 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4666
4667 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4668 {-# INLINE key_function #-}
4669 #endif
4670 </programlisting>
4671
4672         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4673         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4674         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4675
4676         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4677         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4678         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4679         inline it.</para>
4680
4681         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4682         function can be put anywhere its type signature could be
4683         put.</para>
4684
4685         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4686         good idea for the
4687         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4688         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4689         a monad.  For example, in GHC's own
4690         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4691
4692 <programlisting>
4693 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4694 {-# INLINE thenUs #-}
4695 {-# INLINE returnUs #-}
4696 #endif
4697 </programlisting>
4698
4699         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4700         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4701       </sect3>
4702
4703       <sect3 id="noinline-pragma">
4704         <title>NOINLINE pragma</title>
4705         
4706         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4707         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4708
4709         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4710         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4711         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4712         you're very cautious about code size.</para>
4713
4714         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4715         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4716         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4717         inlining, so it should be used if you want your code to be
4718         portable).</para>
4719       </sect3>
4720
4721       <sect3 id="phase-control">
4722         <title>Phase control</title>
4723
4724         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4725         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4726         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4727         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4728         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4729         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4730         sequence of phase numbers for successive runs of the
4731         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4732         phase number, thus:</para>
4733
4734         <itemizedlist>
4735           <listitem>
4736             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4737             and all subsequent phases":
4738 <programlisting>
4739   {-# INLINE [2] f #-}
4740 </programlisting>
4741             </para>
4742           </listitem>
4743
4744           <listitem>
4745             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4746             phases up to, but not including, Phase 3":
4747 <programlisting>
4748   {-# INLINE [~3] g #-}
4749 </programlisting>
4750             </para>
4751           </listitem>
4752
4753           <listitem>
4754             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4755             all phases".</para>
4756           </listitem>
4757         </itemizedlist>
4758
4759         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4760
4761         <itemizedlist>
4762           <listitem>
4763             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4764             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4765             there was no pragma at all":
4766 <programlisting>
4767   {-# NOINLINE [2] f #-}
4768 </programlisting>
4769             </para>
4770           </listitem>
4771
4772           <listitem>
4773             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4774             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4775             there was no pragma":
4776 <programlisting>
4777   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4778 </programlisting>
4779             </para>
4780           </listitem>
4781
4782           <listitem>
4783             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4784             inline this function".</para>
4785           </listitem>
4786         </itemizedlist>
4787
4788         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4789         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4790       </sect3>
4791     </sect2>
4792
4793     <sect2 id="language-pragma">
4794       <title>LANGUAGE pragma</title>
4795
4796       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4797       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
4798
4799       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
4800         It is the intention that all Haskell compilers support the
4801         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
4802         all extensions are supported by all compilers, of
4803         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
4804         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
4805
4806       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
4807
4808 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
4809
4810       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
4811         <ulink
4812           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>
4813     </sect2>
4814
4815
4816     <sect2 id="line-pragma">
4817       <title>LINE pragma</title>
4818
4819       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4820       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4821       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4822       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4823       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4824       original code; for example</para>
4825
4826 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
4827
4828       <para>if you'd generated the current file from something called
4829       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4830       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4831       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4832       pragma.</para>
4833     </sect2>
4834
4835     <sect2 id="options-pragma">
4836       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4837       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4838       </indexterm>
4839       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4840       </indexterm>
4841
4842       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4843       additional options that are given to the compiler when compiling
4844       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4845       details.</para>
4846
4847       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4848         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4849     </sect2>
4850
4851     <sect2 id="rules">
4852       <title>RULES pragma</title>
4853
4854       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4855       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4856     </sect2>
4857
4858     <sect2 id="specialize-pragma">
4859       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4860
4861       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4862       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4863       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4864
4865       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4866       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4867       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4868       overloaded function:</para>
4869
4870 <programlisting>
4871   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4872 </programlisting>
4873
4874       <para>If it is heavily used on lists with
4875       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4876       follows:</para>
4877
4878 <programlisting>
4879   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4880 </programlisting>
4881
4882       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4883       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4884
4885       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4886       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4887       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4888       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4889
4890       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
4891         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
4892         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
4893 <programlisting>
4894   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
4895 </programlisting>
4896       is valid if and only if the defintion
4897 <programlisting>
4898   f_spec :: &lt;type&gt;
4899   f_spec = f
4900 </programlisting>
4901       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
4902       for the original function, not its code):
4903 <programlisting>
4904   f :: Eq a => a -> b -> b
4905   {-# SPECIALISE g :: Int -> b -> b #-}
4906
4907   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
4908   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
4909
4910   h :: Eq a => a -> a -> a
4911   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
4912 </programlisting>  
4913 The last of these examples will generate a 
4914 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
4915 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
4916 </para>
4917
4918       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4919       specialised function for a given type:
4920
4921 <programlisting>
4922 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4923 </programlisting>
4924
4925       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4926       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4927
4928     </sect2>
4929
4930 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4931 <title>SPECIALIZE instance pragma
4932 </title>
4933
4934 <para>
4935 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4936 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4937 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4938
4939 <programlisting>
4940 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4941    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4942    ... usual stuff ...
4943  }
4944 </programlisting>
4945 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4946 of the instance declaration.
4947 </para>
4948 <para>
4949 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4950 of the pragma.
4951 </para>
4952
4953 </sect2>
4954
4955     <sect2 id="unpack-pragma">
4956       <title>UNPACK pragma</title>
4957
4958       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4959       
4960       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4961       that it should unpack the contents of a constructor field into
4962       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4963       example:</para>
4964
4965 <programlisting>
4966 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4967            {-# UNPACK #-} !Float
4968 </programlisting>
4969
4970       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4971       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4972       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4973       floats passed to a non-strict function for example, they will
4974       have to be reboxed (this is done automatically by the
4975       compiler).</para>
4976
4977       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4978       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4979       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4980       often as possible.  For example:</para>
4981
4982 <programlisting>
4983 f :: T -&#62; Float
4984 f (T f1 f2) = f1 + f2
4985 </programlisting>
4986
4987       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4988       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4989       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4990
4991       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4992       example</para>
4993
4994 <programlisting>
4995 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4996 </programlisting>
4997
4998       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4999       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5000       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5001
5002 <programlisting>
5003 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5004 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5005 </programlisting>
5006
5007       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5008       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5009       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5010
5011       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5012       so it might be an idea to check the generated code with
5013       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5014
5015       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5016       which essentially has the effect of adding
5017       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5018       constructor field.</para>
5019     </sect2>
5020
5021 </sect1>
5022
5023 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5024
5025 <sect1 id="rewrite-rules">
5026 <title>Rewrite rules
5027
5028 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5029 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5030 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5031
5032 <para>
5033 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5034 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5035 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5036 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5037 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
5038 </para>
5039
5040 <para>
5041 Here is an example:
5042
5043 <programlisting>
5044   {-# RULES
5045         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5046   #-}
5047 </programlisting>
5048
5049 </para>
5050
5051 <sect2>
5052 <title>Syntax</title>
5053
5054 <para>
5055 From a syntactic point of view:
5056
5057 <itemizedlist>
5058 <listitem>
5059
5060 <para>
5061  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5062 </para>
5063 </listitem>
5064
5065 <listitem>
5066
5067 <para>
5068  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5069 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5070 </para>
5071 </listitem>
5072
5073 <listitem>
5074 <para>
5075 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5076 immediately after the name of the rule.  Thus:
5077 <programlisting>
5078   {-# RULES
5079         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5080   #-}
5081 </programlisting>
5082 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5083 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5084 Phase 2.
5085 </para>
5086 </listitem>
5087
5088
5089 <listitem>
5090
5091 <para>
5092  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5093 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5094 enclosing definitions.
5095 </para>
5096 </listitem>
5097
5098 <listitem>
5099
5100 <para>
5101  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5102 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5103 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5104 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5105 </para>
5106 </listitem>
5107 <listitem>
5108
5109 <para>
5110  A pattern variable may optionally have a type signature.
5111 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5112 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5113
5114 <programlisting>
5115 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5116               foldr k z (build g) = g k z
5117 </programlisting>
5118
5119 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5120
5121 </para>
5122 </listitem>
5123 <listitem>
5124
5125 <para>
5126 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5127 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5128
5129 <programlisting>
5130 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5131 "wrong2"   forall f.      f True = True
5132 </programlisting>
5133
5134 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5135 in the head.
5136 </para>
5137 </listitem>
5138 <listitem>
5139
5140 <para>
5141  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5142 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5143 </para>
5144 </listitem>
5145 <listitem>
5146
5147 <para>
5148  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5149 </para>
5150 </listitem>
5151
5152 </itemizedlist>
5153
5154 </para>
5155
5156 </sect2>
5157
5158 <sect2>
5159 <title>Semantics</title>
5160
5161 <para>
5162 From a semantic point of view:
5163
5164 <itemizedlist>
5165 <listitem>
5166
5167 <para>
5168 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5169 </para>
5170 </listitem>
5171
5172 <listitem>
5173 <para>
5174  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5175 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5176 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5177 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5178 expression by substituting for the pattern variables.
5179
5180 </para>
5181 </listitem>
5182 <listitem>
5183
5184 <para>
5185  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5186 same type.
5187
5188 </para>
5189 </listitem>
5190 <listitem>
5191
5192 <para>
5193  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5194 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5195 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5196
5197 </para>
5198 </listitem>
5199 <listitem>
5200
5201 <para>
5202  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5203 terminating.  For example:
5204
5205 <programlisting>
5206   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5207 </programlisting>
5208
5209 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5210
5211 </para>
5212 </listitem>
5213 <listitem>
5214
5215 <para>
5216  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5217
5218 </para>
5219 </listitem>
5220 <listitem>
5221 <para>
5222  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5223 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5224 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5225 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5226 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5227 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5228 </para>
5229
5230 <para>
5231 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5232 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5233 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5234 </para>
5235 </listitem>
5236 <listitem>
5237
5238 <para>
5239  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5240 For example, consider:
5241
5242 <programlisting>
5243   let s = map f
5244       t = map g
5245   in
5246   s (t xs)
5247 </programlisting>
5248
5249 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5250 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5251 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5252 not be substituted, and the rule would not fire.
5253
5254 </para>
5255 </listitem>
5256 <listitem>
5257
5258 <para>
5259  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5260 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5261 for something you can't match against it (given the simple minded
5262 matching).  So if you write the rule
5263
5264 <programlisting>
5265         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5266 </programlisting>
5267
5268 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5269 It will only match something written with explicit use of ".".
5270 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5271
5272 <programlisting>
5273 wibble f g xs
5274 </programlisting>
5275
5276 where <function>wibble</function> is defined:
5277
5278 <programlisting>
5279 wibble f g = map f . map g
5280 </programlisting>
5281
5282 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5283
5284 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5285 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5286 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5287
5288 </para>
5289 </listitem>
5290 <listitem>
5291
5292 <para>
5293  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5294 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5295 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5296 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5297 declarations.
5298 </para>
5299 </listitem>
5300
5301 </itemizedlist>
5302
5303 </para>
5304
5305 </sect2>
5306
5307 <sect2>
5308 <title>List fusion</title>
5309
5310 <para>
5311 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5312 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5313 intermediate list should be eliminated entirely.
5314 </para>
5315
5316 <para>
5317 The following are good producers:
5318
5319 <itemizedlist>
5320 <listitem>
5321
5322 <para>
5323  List comprehensions
5324 </para>
5325 </listitem>
5326 <listitem>
5327
5328 <para>
5329  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5330 </para>
5331 </listitem>
5332 <listitem>
5333
5334 <para>
5335  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5336 </para>
5337 </listitem>
5338 <listitem>
5339
5340 <para>
5341  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5342 </para>
5343 </listitem>
5344 <listitem>
5345
5346 <para>
5347  <function>++</function>
5348 </para>
5349 </listitem>
5350
5351 <listitem>
5352 <para>
5353  <function>map</function>
5354 </para>
5355 </listitem>
5356
5357 <listitem>
5358 <para>
5359  <function>filter</function>
5360 </para>
5361 </listitem>
5362 <listitem>
5363
5364 <para>
5365  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5366 </para>
5367 </listitem>
5368 <listitem>
5369
5370 <para>
5371  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5372 </para>
5373 </listitem>
5374
5375 </itemizedlist>
5376
5377 </para>
5378
5379 <para>
5380 The following are good consumers:
5381
5382 <itemizedlist>
5383 <listitem>
5384
5385 <para>
5386  List comprehensions
5387 </para>
5388 </listitem>
5389 <listitem>
5390
5391 <para>
5392  <function>array</function> (on its second argument)
5393 </para>
5394 </listitem>
5395 <listitem>
5396
5397 <para>
5398  <function>length</function>
5399 </para>
5400 </listitem>
5401 <listitem>
5402
5403 <para>
5404  <function>++</function> (on its first argument)
5405 </para>
5406 </listitem>
5407
5408 <listitem>
5409 <para>
5410  <function>foldr</function>
5411 </para>
5412 </listitem>
5413
5414 <listitem>
5415 <para>
5416  <function>map</function>
5417 </para>
5418 </listitem>
5419 <listitem>
5420
5421 <para>
5422  <function>filter</function>
5423 </para>
5424 </listitem>
5425 <listitem>
5426
5427 <para>
5428  <function>concat</function>
5429 </para>
5430 </listitem>
5431 <listitem>
5432
5433 <para>
5434  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5435 </para>
5436 </listitem>
5437 <listitem>
5438
5439 <para>
5440  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5441 will fuse with one but not the other)
5442 </para>
5443 </listitem>
5444 <listitem>
5445
5446 <para>
5447  <function>partition</function>
5448 </para>
5449 </listitem>
5450 <listitem>
5451
5452 <para>
5453  <function>head</function>
5454 </para>
5455 </listitem>
5456 <listitem>
5457
5458 <para>
5459  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5460 </para>
5461 </listitem>
5462 <listitem>
5463
5464 <para>
5465  <function>sequence&lowbar;</function>
5466 </para>
5467 </listitem>
5468 <listitem>
5469
5470 <para>
5471  <function>msum</function>
5472 </para>
5473 </listitem>
5474 <listitem>
5475
5476 <para>
5477  <function>sortBy</function>
5478 </para>
5479 </listitem>
5480
5481 </itemizedlist>
5482
5483 </para>
5484
5485  <para>
5486 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5487
5488 <programlisting>
5489 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5490 </programlisting>
5491
5492 </para>
5493
5494 <para>
5495 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5496 a lot which are not included, please tell us.
5497 </para>
5498
5499 <para>
5500 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5501 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5502 </para>
5503
5504 </sect2>
5505
5506 <sect2 id="rule-spec">
5507 <title>Specialisation
5508 </title>
5509
5510 <para>
5511 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5512 present in earlier versions of GHC.
5513 For example, suppose that:
5514
5515 <programlisting>
5516 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5517 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5518 </programlisting>
5519
5520 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5521 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5522 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5523 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5524 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5525 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5526 It used to be possible to write
5527
5528 <programlisting>
5529 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5530 </programlisting>
5531
5532 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5533
5534 <programlisting>
5535 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5536 </programlisting>
5537
5538 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5539 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5540 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5541 What is more, this rule does not need to be in the same
5542 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5543 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5544 have an original definition available to specialise).
5545 </para>
5546
5547 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5548 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5549 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5550
5551 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5552 specialisation will Win Big:
5553
5554 <programlisting>
5555 toDouble :: Real a => a -> Double
5556 toDouble = fromRational . toRational
5557
5558 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5559 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5560 </programlisting>
5561
5562 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5563 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5564 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5565 comparison.
5566 </para>
5567
5568 </sect2>
5569
5570 <sect2>
5571 <title>Controlling what's going on</title>
5572
5573 <para>
5574
5575 <itemizedlist>
5576 <listitem>
5577
5578 <para>
5579  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5580 </para>
5581 </listitem>
5582 <listitem>
5583
5584 <para>
5585  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5586 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5587 </para>
5588 </listitem>
5589 <listitem>
5590
5591 <para>
5592  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5593
5594 <programlisting>
5595         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5596         {-# INLINE build #-}
5597         build g = g (:) []
5598 </programlisting>
5599
5600 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5601 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5602 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5603 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5604
5605 </para>
5606 </listitem>
5607 <listitem>
5608
5609 <para>
5610  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5611 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5612 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5613 </para>
5614 </listitem>
5615
5616 </itemizedlist>
5617
5618 </para>
5619
5620 </sect2>
5621
5622 <sect2 id="core-pragma">
5623   <title>CORE pragma</title>
5624
5625   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5626   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5627   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5628
5629 <para>
5630   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5631   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5632   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5633   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5634   literal as an argument.  The following function definition shows an
5635   example:
5636
5637 <programlisting>
5638 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5639 </programlisting>
5640
5641   Semantically, this is equivalent to:
5642
5643 <programlisting>
5644 g x = show x
5645 </programlisting>
5646 </para>
5647
5648 <para>
5649   However, when external for is generated (via
5650   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5651   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5652   The core function declaration for <function>f</function> is:
5653 </para>
5654
5655 <programlisting>
5656   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5657                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5658     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5659         (%note "foo"
5660          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5661            {GHCziShow.ZCDShow
5662             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5663                    a ->
5664                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5665 r)
5666             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5667             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5668                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5669 r) ->
5670               tpl2})
5671         (%note "foo"
5672          eta);
5673 </programlisting>
5674
5675 <para>
5676   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5677   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5678   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5679   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5680   <varname>x</varname>).
5681 </para>
5682
5683 </sect2>
5684
5685 </sect1>
5686
5687 <sect1 id="generic-classes">
5688 <title>Generic classes</title>
5689
5690     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5691     GHC 5.02).</para>
5692
5693 <para>
5694 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5695 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5696 An example will give the idea:
5697 </para>
5698
5699 <programlisting>
5700   import Generics
5701
5702   class Bin a where
5703     toBin   :: a -> [Int]
5704     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5705   
5706     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5707     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5708     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5709     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5710   
5711     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5712     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5713     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5714     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5715                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5716 </programlisting>
5717 <para>
5718 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5719 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5720 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5721 </para>
5722 <programlisting>
5723   data Unit    = Unit
5724   data a :+: b = Inl a | Inr b
5725   data a :*: b = a :*: b
5726 </programlisting>
5727 <para>
5728 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5729 <programlisting>
5730   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5731   instance Bin a => Bin [a]
5732 </programlisting>
5733 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5734 where clause and over-ride whichever methods you please.
5735 </para>
5736
5737     <sect2>
5738       <title> Using generics </title>
5739       <para>To use generics you need to</para>
5740       <itemizedlist>
5741         <listitem>
5742           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5743                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5744                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5745                 available.  </para>
5746         </listitem>
5747         <listitem>
5748           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5749           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5750           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5751           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5752           don't need this import if you don't mention these types
5753           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5754           declarations.)</para>
5755         </listitem>
5756       </itemizedlist>
5757     </sect2>
5758
5759 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5760 <para>
5761 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5762 can be written infix (indeed, you can now use
5763 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5764 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5765 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5766 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5767 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5768 anticipate wanting).
5769 </para>
5770 </sect2>
5771
5772 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5773 <para>
5774 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5775 is one that is defined using type patterns as above.
5776 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5777 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5778 generic default method.
5779 </para>
5780
5781 <para>
5782 Restrictions:
5783 <itemizedlist>
5784 <listitem>
5785 <para>
5786 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5787 field labels.
5788 </para>
5789 </listitem>
5790
5791 <listitem>
5792 <para>
5793 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5794 multi-parameter class.
5795 </para>
5796 </listitem>
5797
5798 <listitem>
5799 <para>
5800 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5801 without.  So this is illegal:
5802 <programlisting>
5803   class Foo a where
5804     op :: a -> (a, Bool)
5805     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5806     op x               = (x,    False)
5807 </programlisting>
5808 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5809 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5810 </para>
5811 </listitem>
5812
5813 <listitem>
5814 <para>
5815 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5816 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:
5817 <programlisting>
5818   class Foo a where
5819     op :: a -> Bool
5820     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5821     ...
5822 </programlisting>
5823 </para>
5824 </listitem>
5825
5826 <listitem>
5827 <para>
5828 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5829 <programlisting>
5830        a :+: b
5831        a :*: b
5832        Unit
5833 </programlisting>
5834 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5835 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5836 must use the same type variables.  So this is illegal:
5837 <programlisting>
5838   class Foo a where
5839     op :: a -> Bool
5840     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5841     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5842 </programlisting>
5843 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5844 So this too is illegal:
5845 <programlisting>
5846   class Foo a where
5847     op1 :: a -> Bool
5848     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5849
5850     op2 :: a -> Bool
5851     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5852 </programlisting>
5853 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5854 into a single generic instance declaration.)
5855 </para>
5856 </listitem>
5857
5858 <listitem>
5859 <para>
5860 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5861 </para>
5862 </listitem>
5863
5864 <listitem>
5865 <para>
5866 The type for a generic method can be built only from:
5867   <itemizedlist>
5868   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5869   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5870   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5871   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5872   </itemizedlist>
5873 Here are some example type signatures for generic methods:
5874 <programlisting>
5875     op1 :: a -> Bool
5876     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5877     op3 :: [Int] -> a -> a
5878     op4 :: [a] -> Bool
5879 </programlisting>
5880 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5881 inside a list.  
5882 </para>
5883 <para>
5884 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5885 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5886 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5887 to the ones that are allowed.</para>
5888 </listitem>
5889
5890 <listitem>
5891 <para>
5892 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5893 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5894 do so if
5895   <itemizedlist>
5896   <listitem>
5897   <para>
5898   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5899   </para>
5900   </listitem>
5901   <listitem>
5902   <para>
5903   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5904   </para>
5905   </listitem>
5906   </itemizedlist>
5907 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5908 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5909 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5910 </para>
5911 </listitem>
5912
5913 </itemizedlist>
5914 </para>
5915
5916 <para>
5917 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5918 what the compiler does with generic declarations.
5919 </para>
5920
5921 </sect2>
5922
5923 <sect2> <title> Another example </title>
5924 <para>
5925 Just to finish with, here's another example I rather like:
5926 <programlisting>
5927   class Tag a where
5928     nCons :: a -> Int
5929     nCons {| Unit |}    _ = 1
5930     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5931     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5932   
5933     tag :: a -> Int
5934     tag {| Unit |}    _       = 1
5935     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5936     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5937     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5938 </programlisting>
5939 </para>
5940 </sect2>
5941 </sect1>
5942
5943
5944
5945 <!-- Emacs stuff:
5946      ;;; Local Variables: ***
5947      ;;; mode: xml ***
5948      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5949      ;;; End: ***
5950  -->
5951