765ff8530b48e3c63fb05de480ea0bc153dca676
[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</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 </para>
347
348 <para>
349 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
350 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
351 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
352 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
353 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
354 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
355 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
356 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
357 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
358 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
359 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
360 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
361 </para>
362
363 <para>
364 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
365 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
366 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
367 </para>
368
369 </sect2>
370
371 <sect2 id="unboxed-tuples">
372 <title>Unboxed Tuples
373 </title>
374
375 <para>
376 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
377 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
378 unboxed tuple looks like this:
379 </para>
380
381 <para>
382
383 <programlisting>
384 (# e_1, ..., e_n #)
385 </programlisting>
386
387 </para>
388
389 <para>
390 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
391 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
392 the same.
393 </para>
394
395 <para>
396 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
397 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
398 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
399 components are put directly into registers or on the stack; the
400 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
401 of the primitive operations listed in this section return unboxed
402 tuples.
403 </para>
404
405 <para>
406 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
407 </para>
408
409 <para>
410
411 <itemizedlist>
412 <listitem>
413
414 <para>
415  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
416 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
417 structures or passed to polymorphic functions.
418
419 </para>
420 </listitem>
421 <listitem>
422
423 <para>
424  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
425 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
426 eg. the following are valid:
427
428
429 <programlisting>
430 f x y = (# x+1, y-1 #)
431 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
432 </programlisting>
433
434
435 but the following are invalid:
436
437
438 <programlisting>
439 f x y = g (# x, y #)
440 g (# x, y #) = x + y
441 </programlisting>
442
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
450
451
452 <programlisting>
453 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
454 f x = x
455 </programlisting>
456
457
458 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
459
460 </para>
461 </listitem>
462
463 </itemizedlist>
464
465 </para>
466
467 <para>
468 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
469 </para>
470
471 <para>
472 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
473 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
474 </para>
475
476 </sect2>
477 </sect1>
478
479
480 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
481
482 <sect1 id="syntax-extns">
483 <title>Syntactic extensions</title>
484  
485     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
486
487     <sect2 id="hierarchical-modules">
488       <title>Hierarchical Modules</title>
489
490       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
491       names: a module name is allowed to contain a dot
492       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
493       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
494       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
495       more flexible hierarchy of modules.</para>
496
497       <para>This extension has very little impact on the language
498       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
499       qualified, so you can just think of the fully qualified module
500       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
501       means that the full module name must be given after the
502       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
503       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
504       begin</para>
505
506 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
507
508
509       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
510       keyword to save some typing when using qualified names with
511       hierarchical modules.  For example:</para>
512
513 <programlisting>
514 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
515 </programlisting>
516
517       <para>For details on how GHC searches for source and interface
518       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
519       linkend="search-path"/>.</para>
520
521       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
522       hierarchically; see the accompanying library documentation.
523       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
524       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
525       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
526       current status of that project.  For more details, see <ulink
527       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
528       Libraries</ulink>.</para>
529
530     </sect2>
531
532     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
533
534 <sect2 id="pattern-guards">
535 <title>Pattern guards</title>
536
537 <para>
538 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
539 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.)
540 </para>
541
542 <para>
543 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
544 lookup operation:
545
546 <programlisting>
547 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
548 </programlisting>
549
550 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
551 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
552 </para>
553
554 <programlisting>
555 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
556 | otherwise  = var1 + var2
557 where
558   m1 = lookup env var1
559   m2 = lookup env var2
560   ok1 = maybeToBool m1
561   ok2 = maybeToBool m2
562   val1 = expectJust m1
563   val2 = expectJust m2
564 </programlisting>
565
566 <para>
567 The auxiliary functions are 
568 </para>
569
570 <programlisting>
571 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
572 maybeToBool (Just x) = True
573 maybeToBool Nothing  = False
574
575 expectJust :: Maybe a -&gt; a
576 expectJust (Just x) = x
577 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
578 </programlisting>
579
580 <para>
581 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
582 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
583 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
584 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
585 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
586 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
587 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
588 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
589 </para>
590
591 <para>
592 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
593 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
594 to write clunky would be to use case expressions:
595 </para>
596
597 <programlisting>
598 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
599   Nothing -&gt; fail
600   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
601     Nothing -&gt; fail
602     Just val2 -&gt; val1 + val2
603 where
604   fail = val1 + val2
605 </programlisting>
606
607 <para>
608 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
609 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
610 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
611 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
612 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
613 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
614 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
615 tends to become more and more indented. 
616 </para>
617
618 <para>
619 Here is how I would write clunky:
620 </para>
621
622 <programlisting>
623 clunky env var1 var1
624   | Just val1 &lt;- lookup env var1
625   , Just val2 &lt;- lookup env var2
626   = val1 + val2
627 ...other equations for clunky...
628 </programlisting>
629
630 <para>
631 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
632 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
633 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
634 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
635 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
636 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
637 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
638 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
639 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
640 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
641 </para>
642
643 <para>
644 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
645 with among the pattern guards.  For example:
646 </para>
647
648 <programlisting>
649 f x | [y] &lt;- x
650     , y > 3
651     , Just z &lt;- h y
652     = ...
653 </programlisting>
654
655 <para>
656 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
657 qualifier list has just one element, a boolean expression.
658 </para>
659 </sect2>
660
661     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
662
663 <sect2 id="mdo-notation">
664 <title>The recursive do-notation
665 </title>
666
667 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
668 "A recursive do for Haskell",
669 Levent Erkok, John Launchbury",
670 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
671 </para>
672 <para>
673 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
674 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
675 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
676 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
677 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
678 </para>
679 <para>
680 Here is a simple (yet contrived) example:
681 </para>
682 <programlisting>
683 import Control.Monad.Fix
684
685 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
686                return xs
687 </programlisting>
688 <para>
689 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
690 </para>
691
692 <para>
693 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
694 </para>
695 <programlisting>
696 class Monad m => MonadFix m where
697    mfix :: (a -> m a) -> m a
698 </programlisting>
699 <para>
700 The function <literal>mfix</literal>
701 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
702 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
703 For details, see the above mentioned reference.
704 </para>
705 <para>
706 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
707 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
708 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
709 </para>
710 <para>
711 There are three important points in using the recursive-do notation:
712 <itemizedlist>
713 <listitem><para>
714 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
715 than <literal>do</literal>).
716 </para></listitem>
717
718 <listitem><para>
719 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
720 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
721 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
722 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
723 </para></listitem>
724
725 <listitem><para>
726 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
727 </para></listitem>
728 </itemizedlist>
729 </para>
730
731 <para>
732 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
733 contains up to date information on recursive monadic bindings.
734 </para>
735
736 <para>
737 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
738 of the existing documents) used the name
739 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
740 This name is not supported by GHC.
741 </para>
742
743 </sect2>
744
745
746    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
747
748   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
749     <title>Parallel List Comprehensions</title>
750     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
751     </indexterm>
752     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
753     </indexterm>
754
755     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
756     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
757     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
758     extend this to include the zipWith family.</para>
759
760     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
761     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
762     example, the following zips together two lists:</para>
763
764 <programlisting>
765    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
766 </programlisting>
767
768     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
769     zip, in that the resulting list will have the same length as the
770     shortest branch.</para>
771
772     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
773     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
774
775     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
776
777 <programlisting>
778    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
779        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
780        ... 
781    ] 
782 </programlisting>
783
784     <para>This will be translated to: </para>
785
786 <programlisting>
787    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
788                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
789                                          ... 
790    ] 
791 </programlisting>
792
793     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
794     branches.</para>
795
796   </sect2>
797
798 <sect2 id="rebindable-syntax">
799 <title>Rebindable syntax</title>
800
801
802       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
803       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
804       with a home-grown version, for example.</para>
805
806             <para>You may want to define your own numeric class
807             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
808             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
809             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
810             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
811             the following pieces of built-in syntax to refer to
812             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
813             versions:</para>
814
815             <itemizedlist>
816               <listitem>
817                 <para>Integer and fractional literals mean
818                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
819                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
820                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
821                 patterns. </para>
822                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
823                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
824               </listitem>
825
826               <listitem>
827                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
828                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
829                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
830               </listitem>
831
832               <listitem>
833                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
834                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
835                 but the necessary subtraction uses whatever
836                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
837                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
838               </listitem>
839
840               <listitem>
841           <para>"Do" notation is translated using whatever
842               functions <literal>(>>=)</literal>,
843               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
844               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
845               versions).  List comprehensions, and parallel array
846               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
847
848               <listitem>
849                 <para>Similarly recursive do notation (see
850                 <xref linkend="mdo-notation"/>) uses whatever
851                 <literal>mfix</literal> function is in scope, and arrow
852                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
853                 uses whatever <literal>arr</literal>,
854                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
855                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
856                 <literal>loop</literal> functions are in scope.</para>
857               </listitem>
858             </itemizedlist>
859
860              <para>The functions with these names that GHC finds in scope
861              must have types matching those of the originals, namely:
862              <screen>
863                 fromInteger  :: Integer  -> N
864                 fromRational :: Rational -> N
865                 negate       :: N -> N
866                 (-)          :: N -> N -> N
867                 (>>=)        :: forall a b. M a -> (a -> M b) -> M b
868                 (>>)         :: forall a b. M a -> M b -> M b
869                 return       :: forall a.   a      -> M a
870                 fail         :: forall a.   String -> M a
871              </screen>
872              (Here <literal>N</literal> may be any type,
873              and <literal>M</literal> any type constructor.)</para>
874
875              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
876              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
877              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
878              you should be all right.</para>
879
880 </sect2>
881 </sect1>
882
883
884 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
885 <sect1 id="type-extensions">
886 <title>Type system extensions</title>
887
888
889 <sect2>
890 <title>Data types and type synonyms</title>
891
892 <sect3 id="nullary-types">
893 <title>Data types with no constructors</title>
894
895 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
896 a data type with no constructors.  For example:</para>
897
898 <programlisting>
899   data S      -- S :: *
900   data T a    -- T :: * -> *
901 </programlisting>
902
903 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
904 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
905 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
906 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
907
908 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
909 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
910 </sect3>
911
912 <sect3 id="infix-tycons">
913 <title>Infix type constructors</title>
914
915 <para>
916 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
917 like expressions.  More specifically:
918 <itemizedlist>
919 <listitem><para>
920   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
921   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
922   </para></listitem>
923 <listitem><para>
924   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
925   </para></listitem>
926 <listitem><para>
927   Back-quotes work
928   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
929   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
930   </para></listitem>
931 <listitem><para>
932   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
933   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
934   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
935 <screen>
936   infixl 7 T, :*:
937 </screen>
938   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
939   and similarly for <literal>:*:</literal>.
940   <literal>Int `a` Bool</literal>.
941   </para></listitem>
942 <listitem><para>
943   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
944   </para></listitem>
945 <listitem><para>
946   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
947 <screen>
948   data a :*: b = Foo a b
949   type a :+: b = Either a b
950 </screen>
951   </para></listitem>
952 <listitem><para>
953   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
954   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
955   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
956   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
957   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
958   lists.  So for now we just exclude them.
959   </para></listitem>
960
961 </itemizedlist>
962 </para>
963 </sect3>
964
965 <sect3 id="type-synonyms">
966 <title>Liberalised type synonyms</title>
967
968 <para>
969 Type synonyms are like macros at the type level, and
970 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
971 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
972 <itemizedlist>
973 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
974 in a type synonym, thus:
975 <programlisting>
976   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
977
978   f :: Discard a
979   f x y = (x, show y)
980
981   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
982   g f = f Int True
983 </programlisting>
984 </para>
985 </listitem>
986
987 <listitem><para>
988 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
989 <programlisting>
990   type Pr = (# Int, Int #)
991
992   h :: Int -> Pr
993   h x = (# x, x #)
994 </programlisting>
995 </para></listitem>
996
997 <listitem><para>
998 You can apply a type synonym to a forall type:
999 <programlisting>
1000   type Foo a = a -> a -> Bool
1001  
1002   f :: Foo (forall b. b->b)
1003 </programlisting>
1004 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1005 <programlisting>
1006   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1007 </programlisting>
1008 </para></listitem>
1009
1010 <listitem><para>
1011 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1012 <programlisting>
1013   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1014   type Id x = x
1015   
1016   foo :: Generic Id []
1017 </programlisting>
1018 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1019 <programlisting>
1020   foo :: forall x. x -> [x]
1021 </programlisting>
1022 </para></listitem>
1023
1024 </itemizedlist>
1025 </para>
1026
1027 <para>
1028 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1029 could be changed.)
1030 </para>
1031 <para>
1032 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1033 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1034 <itemizedlist>
1035 <listitem><para>
1036 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1037 </para></listitem>
1038 <listitem><para>
1039 Unboxed tuple on left of an arrow.
1040 </para></listitem>
1041 <listitem><para>
1042 Partially-applied type synonym.
1043 </para></listitem>
1044 </itemizedlist>
1045 So, for example,
1046 this will be rejected:
1047 <programlisting>
1048   type Pr = (# Int, Int #)
1049
1050   h :: Pr -> Int
1051   h x = ...
1052 </programlisting>
1053 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1054 </para>
1055 </sect3>
1056
1057
1058 <sect3 id="existential-quantification">
1059 <title>Existentially quantified data constructors
1060 </title>
1061
1062 <para>
1063 The idea of using existential quantification in data type declarations
1064 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1065 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1066 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1067 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1068 </para>
1069
1070 <para>
1071
1072 <programlisting>
1073   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1074            | Nil
1075 </programlisting>
1076
1077 </para>
1078
1079 <para>
1080 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1081 </para>
1082
1083 <para>
1084
1085 <programlisting>
1086   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1087   Nil   :: Foo
1088 </programlisting>
1089
1090 </para>
1091
1092 <para>
1093 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1094 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1095 For example, the following expression is fine:
1096 </para>
1097
1098 <para>
1099
1100 <programlisting>
1101   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1102 </programlisting>
1103
1104 </para>
1105
1106 <para>
1107 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1108 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1109 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1110 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1111 </para>
1112
1113 <para>
1114 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1115 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1116 </para>
1117
1118 <para>
1119
1120 <programlisting>
1121   f (MkFoo val fn) = ???
1122 </programlisting>
1123
1124 </para>
1125
1126 <para>
1127 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1128 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1129 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1130 </para>
1131
1132 <para>
1133
1134 <programlisting>
1135   f :: Foo -> Bool
1136   f (MkFoo val fn) = fn val
1137 </programlisting>
1138
1139 </para>
1140
1141 <para>
1142 What this allows us to do is to package heterogenous values
1143 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1144 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1145 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1146 </para>
1147
1148 <sect4 id="existential">
1149 <title>Why existential?
1150 </title>
1151
1152 <para>
1153 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1154 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1155 </para>
1156
1157 <para>
1158
1159 <programlisting>
1160   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1161 </programlisting>
1162
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1167 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1168 adding a new existential quantification construct.
1169 </para>
1170
1171 </sect4>
1172
1173 <sect4>
1174 <title>Type classes</title>
1175
1176 <para>
1177 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1178 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182
1183 <programlisting>
1184 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1185          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1186 </programlisting>
1187
1188 </para>
1189
1190 <para>
1191 The two constructors have the types you'd expect:
1192 </para>
1193
1194 <para>
1195
1196 <programlisting>
1197 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1198 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1199 </programlisting>
1200
1201 </para>
1202
1203 <para>
1204 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1205 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1206 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1207 So this program is legal:
1208 </para>
1209
1210 <para>
1211
1212 <programlisting>
1213   f :: Baz -> String
1214   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1215                | otherwise = "No"
1216   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1217 </programlisting>
1218
1219 </para>
1220
1221 <para>
1222 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1223 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1224 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1225 extract it on pattern matching.
1226 </para>
1227
1228 <para>
1229 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1230 universal quantification earlier.
1231 </para>
1232
1233 </sect4>
1234
1235 <sect4>
1236 <title>Restrictions</title>
1237
1238 <para>
1239 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1240 constructors can be use.
1241 </para>
1242
1243 <para>
1244
1245 <itemizedlist>
1246 <listitem>
1247
1248 <para>
1249  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1250 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1251 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1252 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1253
1254
1255 <programlisting>
1256 f1 (MkFoo a f) = a
1257 </programlisting>
1258
1259
1260 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1261 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1262 ask what type <function>f1</function> has:
1263
1264
1265 <programlisting>
1266   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1267 </programlisting>
1268
1269
1270 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1271 this:
1272
1273
1274 <programlisting>
1275   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1276 </programlisting>
1277
1278
1279 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1280
1281
1282 <programlisting>
1283   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1284 </programlisting>
1285
1286
1287 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1288 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1289 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1290
1291
1292 </para>
1293 </listitem>
1294 <listitem>
1295
1296 <para>
1297 You can't pattern-match on an existentially quantified
1298 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1299 bindings. So this is illegal:
1300
1301
1302 <programlisting>
1303   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1304 </programlisting>
1305
1306 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1307
1308 <programlisting>
1309   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1310 </programlisting>
1311
1312 In general, you can only pattern-match
1313 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1314 in the patterns of a function definition.
1315
1316 The reason for this restriction is really an implementation one.
1317 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1318 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1319 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1320 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1321 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1322 annoying it is.
1323
1324 </para>
1325 </listitem>
1326 <listitem>
1327
1328 <para>
1329 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1330 declarations.  So this is illegal:
1331
1332
1333 <programlisting>
1334   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1335 </programlisting>
1336
1337
1338 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1339 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1340 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1341 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1342 You can get just the same efficiency and effect by using
1343 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1344 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1345 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1346 because the <literal>data</literal> version does carry an
1347 implementation cost, but single-field existentially quantified
1348 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1349 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1350 are convincing reasons to change it.
1351
1352
1353 </para>
1354 </listitem>
1355 <listitem>
1356
1357 <para>
1358  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1359 data type with existentially quantified data constructors.
1360
1361 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1362
1363 <programlisting>
1364 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1365 </programlisting>
1366
1367 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1368 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1369
1370 <programlisting>
1371 instance Eq T where
1372   (MkT a) == (MkT b) = ???
1373 </programlisting>
1374
1375 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1376 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1377 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1378 declarations.  Define your own instances!
1379 </para>
1380 </listitem>
1381
1382 </itemizedlist>
1383
1384 </para>
1385
1386 </sect4>
1387 </sect3>
1388
1389 </sect2>
1390
1391
1392
1393 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1394 <title>Class declarations</title>
1395
1396 <para>
1397 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1398 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1399 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1400 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1401 Jones, Erik Meijer).
1402 </para>
1403 <para>
1404 There are the following constraints on class declarations:
1405 <orderedlist>
1406 <listitem>
1407
1408 <para>
1409  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1410
1411
1412 <programlisting>
1413   class Collection c a where
1414     union :: c a -> c a -> c a
1415     ...etc.
1416 </programlisting>
1417
1418
1419
1420 </para>
1421 </listitem>
1422 <listitem>
1423
1424 <para>
1425  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1426 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1427 this is OK:
1428
1429
1430 <programlisting>
1431   class C a where {
1432     op :: D b => a -> b -> b
1433   }
1434
1435   class C a => D a where { ... }
1436 </programlisting>
1437
1438
1439 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1440 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1441 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1442
1443 </para>
1444 </listitem>
1445 <listitem>
1446
1447 <para>
1448  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1449 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1450 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1451
1452
1453 <programlisting>
1454   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1455     ...
1456
1457   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1458     lift :: m a -> (t m) a
1459 </programlisting>
1460
1461
1462 </para>
1463 </listitem>
1464
1465 <listitem>
1466
1467 <para>
1468  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1469 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1470 from the free variables of each method type
1471 </emphasis>.  For example:
1472
1473
1474 <programlisting>
1475   class Coll s a where
1476     empty  :: s
1477     insert :: s -> a -> s
1478 </programlisting>
1479
1480
1481 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1482 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1483 types, and has the same motivation.
1484
1485 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1486 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1487
1488
1489 <programlisting>
1490   class Coll s a where
1491     empty  :: s a
1492     insert :: s a -> a -> s a
1493 </programlisting>
1494
1495
1496 which makes the connection between the type of a collection of
1497 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1498 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1499 class like this:
1500
1501
1502 <programlisting>
1503   class CollE s where
1504     empty  :: s
1505
1506   class CollE s => Coll s a where
1507     insert :: s -> a -> s
1508 </programlisting>
1509
1510
1511 </para>
1512 </listitem>
1513
1514 </orderedlist>
1515 </para>
1516
1517 <sect3 id="class-method-types">
1518 <title>Class method types</title>
1519 <para>
1520 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1521 class type variable, thus:
1522 <programlisting>
1523   class Seq s a where
1524     fromList :: [a] -> s a
1525     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1526 </programlisting>
1527 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1528 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1529 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1530 </para>
1531 <para>
1532 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1533 </para>
1534
1535 </sect3>
1536
1537 </sect2>
1538
1539 <sect2 id="type-restrictions">
1540 <title>Type signatures</title>
1541
1542 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1543 <para>
1544 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1545 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1546 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1547 these type signatures are perfectly OK
1548 <programlisting>
1549   g :: Eq [a] => ...
1550   g :: Ord (T a ()) => ...
1551 </programlisting>
1552 </para>
1553 <para>
1554 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1555 Consider the type:
1556
1557 <programlisting>
1558   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1559 </programlisting>
1560
1561 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1562 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1563 explicit source-language type signature are universally quantified,
1564 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1565 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1566 </para>
1567
1568 <para>
1569
1570 <orderedlist>
1571 <listitem>
1572
1573 <para>
1574  <emphasis>Each universally quantified type variable
1575 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1576
1577 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1578 in the same constraint as either a type variable free in in
1579 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1580 A value with a type that does not obey 
1581 this reachability restriction cannot be used without introducing
1582 ambiguity; that is why the type is rejected.
1583 Here, for example, is an illegal type:
1584
1585
1586 <programlisting>
1587   forall a. Eq a => Int
1588 </programlisting>
1589
1590
1591 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1592 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1593 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1594 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1595 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1596 get any more information about <literal>tv</literal>.
1597 </para>
1598 <para>
1599 Note
1600 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1601 functionally dependent on a type variable free in
1602 <literal>type</literal> (see <xref
1603 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1604 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1605 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1606 For example, consider:
1607 <programlisting>
1608   class C a b | a -> b where ...
1609   class C a b => D a b where ...
1610   f :: forall a b. D a b => a -> a
1611 </programlisting>
1612 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1613 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1614 </para>
1615 </listitem>
1616 <listitem>
1617
1618 <para>
1619  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1620 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1621
1622 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1623 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1624
1625
1626 <programlisting>
1627   forall a. C a b => burble
1628 </programlisting>
1629
1630
1631 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1632 mention <literal>a</literal>:
1633
1634
1635 <programlisting>
1636   forall a. Eq b => burble
1637 </programlisting>
1638
1639
1640 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1641 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1642 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1643 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1644 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1645 territory free in case we need it later.
1646
1647 </para>
1648 </listitem>
1649
1650 </orderedlist>
1651
1652 </para>
1653 </sect3>
1654
1655 <sect3 id="hoist">
1656 <title>For-all hoisting</title>
1657 <para>
1658 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1659 end of an arrow, thus:
1660 <programlisting>
1661   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1662
1663   g :: Int -> Discard Int
1664   g x y z = x+y
1665 </programlisting>
1666 Simply expanding the type synonym would give
1667 <programlisting>
1668   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1669 </programlisting>
1670 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1671 <programlisting>
1672   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1673 </programlisting>
1674 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1675 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1676 performs the transformation:</emphasis>
1677 <programlisting>
1678   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1679 ==>
1680   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1681 </programlisting>
1682 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1683 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1684 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1685 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1686 <programlisting>
1687   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1688 </programlisting>
1689 </para>
1690 <para>
1691 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1692 example:
1693 <programlisting>
1694   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1695   g :: Foo (Foo Int)
1696 </programlisting>
1697 means
1698 <programlisting>
1699   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1700 </programlisting>
1701 </para>
1702 </sect3>
1703
1704
1705 </sect2>
1706
1707 <sect2 id="instance-decls">
1708 <title>Instance declarations</title>
1709
1710 <sect3>
1711 <title>Overlapping instances</title>
1712 <para>
1713 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1714 declaration
1715 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1716 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1717 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1718 </primary></indexterm> 
1719 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1720 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1721 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1722 <para>
1723 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1724 it tries to match every instance declaration against the
1725 constraint,
1726 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1727 these declarations:
1728 <programlisting>
1729   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1730   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1731   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1732   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1733 </programlisting>
1734 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1735 no account of the context of the instance declaration
1736 (<literal>context1</literal> etc).
1737 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1738 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1739 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1740 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1741 particular constraint matches more than one.
1742 </para>
1743
1744 <para>
1745 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1746 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1747 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1748 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1749 most-specific match, the program is rejected.
1750 </para>
1751 <para>
1752 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1753 <programlisting>
1754   f :: [b] -> [b]
1755   f x = ...
1756 </programlisting>
1757 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1758 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1759 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1760 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1761 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1762 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1763 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1764 the problem of subsequent instantiations.
1765 </para>
1766 </sect3>
1767
1768 <sect3>
1769 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1770
1771 <para>
1772 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1773 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1774 As always, using a type synonym is just shorthand for
1775 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1776
1777
1778 <programlisting>
1779   type Point = (Int,Int)
1780   instance C Point   where ...
1781   instance C [Point] where ...
1782 </programlisting>
1783
1784
1785 is legal.  However, if you added
1786
1787
1788 <programlisting>
1789   instance C (Int,Int) where ...
1790 </programlisting>
1791
1792
1793 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1794 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1795 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1796
1797
1798 <programlisting>
1799   type P a = [[a]]
1800   instance Monad P where ...
1801 </programlisting>
1802
1803
1804 This design decision is independent of all the others, and easily
1805 reversed, but it makes sense to me.
1806
1807 </para>
1808 </sect3>
1809
1810 <sect3 id="undecidable-instances">
1811 <title>Undecidable instances</title>
1812
1813 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1814 <orderedlist>
1815 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1816 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1817 For example, these are OK:
1818
1819 <programlisting>
1820   instance C Int a where ...
1821
1822   instance D (Int, Int) where ...
1823
1824   instance E [[a]] where ...
1825 </programlisting>
1826 but this is not:
1827 <programlisting>
1828   instance F a where ...
1829 </programlisting>
1830 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1831 For example, this is OK:
1832 <programlisting>
1833   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1834 </programlisting>
1835 </para>
1836 </listitem>
1837
1838
1839 <listitem>
1840 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1841 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1842 Thus
1843 <programlisting>
1844 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1845 </programlisting>
1846 is OK, but
1847 <programlisting>
1848 instance C Int b => Foo b where ...
1849 </programlisting>
1850 is not OK.
1851 </para>
1852 </listitem>
1853 </orderedlist>
1854 These restrictions ensure that 
1855 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1856 constructor.  For example, the following would make the type checker
1857 loop if it wasn't excluded:
1858 <programlisting>
1859   instance C a => C a where ...
1860 </programlisting>
1861 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1862 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1863 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1864 something more specific does not:
1865
1866
1867 <programlisting>
1868   instance C a where
1869     op = ... -- Default
1870 </programlisting>
1871
1872
1873 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1874 effect of a "class synonym":
1875
1876
1877 <programlisting>
1878   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1879
1880   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1881 </programlisting>
1882
1883
1884 This allows you to write shorter signatures:
1885
1886
1887 <programlisting>
1888   f :: C a => ...
1889 </programlisting>
1890
1891
1892 instead of
1893
1894
1895 <programlisting>
1896   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1897 </programlisting>
1898
1899
1900 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1901 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1902 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1903 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1904 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1905 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1906 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1907 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1908 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1909 </para>
1910 <para>
1911 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1912 allowing these idioms interesting idioms.  
1913 </para>
1914 </sect3>
1915
1916
1917 </sect2>
1918
1919 <sect2 id="implicit-parameters">
1920 <title>Implicit parameters</title>
1921
1922 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
1923 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1924 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1925 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1926 Boston, Jan 2000.
1927 </para>
1928
1929 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1930 due to Jeff Lewis.)</para>
1931
1932 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1933 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1934
1935 <para>
1936 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1937 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1938 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1939 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1940 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1941 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1942 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1943 only support static scoping of variables.
1944 </para>
1945 <para>
1946 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1947 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1948 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1949 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1950 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1951 of type <literal>t'</literal>". For
1952 example, the following expresses the type of a sort function,
1953 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1954 <programlisting>
1955   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1956 </programlisting>
1957 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1958 </para>
1959 <para>
1960 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1961 where <literal>x</literal> is
1962 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1963 Use of this construct also introduces a new
1964 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1965 For example, the following definition
1966 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1967 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1968 <programlisting>
1969   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1970
1971   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1972   sort    = sortBy ?cmp
1973 </programlisting>
1974 </para>
1975
1976 <sect3>
1977 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1978 <para>
1979 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1980 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1981 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1982 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1983 to pick out the least value in a list:
1984 <programlisting>
1985   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1986   least xs = fst (sort xs)
1987 </programlisting>
1988 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1989 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1990 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1991 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1992 propagate them.
1993 </para>
1994 <para>
1995 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1996 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1997 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1998 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1999 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2000 class constraints.
2001 </para>
2002
2003 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2004 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2005 <programlisting>
2006   class (?x::Int) => C a where ...
2007   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2008 </programlisting>
2009 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2010 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2011 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2012 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2013 <para>
2014 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2015 <programlisting>
2016    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2017    f n = n + length ?x
2018
2019    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2020    g s = show (read s)
2021 </programlisting>
2022 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2023 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2024 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2025 </para>
2026 </sect3>
2027
2028 <sect3>
2029 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2030
2031 <para>
2032 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2033 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2034 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2035 <literal>cmp</literal>.
2036 <programlisting>
2037   min :: [a] -> a
2038   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2039 </programlisting>
2040 </para>
2041 <para>
2042 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2043 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2044 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2045 or a <literal>where</literal> clause.
2046 Note the following points:
2047 <itemizedlist>
2048 <listitem><para>
2049 An implicit-parameter binding group must be a
2050 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2051 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2052 neither polymorphic or recursive.  
2053 </para></listitem>
2054 <listitem><para>
2055 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2056 single <literal>let</literal>
2057 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2058 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2059 </para></listitem>
2060
2061 <listitem><para>
2062 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2063 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2064 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2065 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2066 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2067 the meaning of the program.
2068 For example, consider:
2069 <programlisting>
2070   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2071 </programlisting>
2072 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2073 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2074 <programlisting>
2075   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2076 </programlisting>
2077 </para></listitem>
2078 </itemizedlist>
2079 </para>
2080
2081 </sect3>
2082 </sect2>
2083
2084 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2085 <title>Linear implicit parameters</title>
2086 <para>
2087 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2088 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2089 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2090 </para>
2091 <itemizedlist>
2092 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2093 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2094 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2095 </itemizedlist>
2096
2097 <para>
2098 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2099 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2100 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2101 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2102 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2103 </para>
2104 <para>
2105 For example:
2106 <programlisting>
2107     import GHC.Exts( Splittable )
2108
2109     data NameSupply = ...
2110     
2111     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2112     newName :: NameSupply -> Name
2113
2114     instance Splittable NameSupply where
2115         split = splitNS
2116
2117
2118     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2119     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2120                     where
2121                       x'   = newName %ns
2122                       env' = extend env x x'
2123     ...more equations for f...
2124 </programlisting>
2125 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2126 <itemizedlist>
2127 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2128 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2129 </itemizedlist>
2130 </para>
2131 <para>
2132 So the translation done by the type checker makes
2133 the parameter explicit:
2134 <programlisting>
2135     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2136     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2137                        where
2138                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2139                          x' = newName ns2
2140                          env = extend env x x'
2141 </programlisting>
2142 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2143 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2144 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2145 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2146 <programlisting>
2147         class Splittable a where
2148           split :: a -> (a,a)
2149 </programlisting>
2150 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2151 split for name supplies.  But we can simply write
2152 <programlisting>
2153         g x = (x, %ns, %ns)
2154 </programlisting>
2155 and GHC will infer
2156 <programlisting>
2157         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2158 </programlisting>
2159 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2160 <literal>GHC.Exts</literal>.
2161 </para>
2162 <para>
2163 Other points:
2164 <itemizedlist>
2165 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2166 are entirely distinct implicit parameters: you 
2167   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2168 </listitem>
2169
2170 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2171
2172 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2173   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2174 </itemizedlist>
2175 </para>
2176
2177 <sect3><title>Warnings</title>
2178
2179 <para>
2180 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2181 Consider the example above:
2182 <programlisting>
2183     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2184     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2185                     where
2186                       x'   = newName %ns
2187                       env' = extend env x x'
2188 </programlisting>
2189 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2190 usually a harmless thing to do, we get:
2191 <programlisting>
2192     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2193     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2194                     where
2195                       env' = extend env x (newName %ns)
2196 </programlisting>
2197 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2198 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2199 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2200 the beta rule.
2201 </para>
2202 <para>
2203 Well, this is an experimental change.  With implicit
2204 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2205 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2206 Haskell programs without knowing their typing.
2207 </para>
2208
2209 </sect3>
2210
2211 <sect3><title>Recursive functions</title>
2212 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2213 Consider
2214 <programlisting>
2215         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2216         foo 0 = []
2217         foo n = %x : foo (n-1)
2218 </programlisting>
2219 where T is some type in class Splittable.</para>
2220 <para>
2221 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2222 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2223 </para><para>
2224 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2225 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2226 translated term, where the implicit param is made explicit:
2227 <programlisting>
2228         foo x 0 = []
2229         foo x n = let (x1,x2) = split x
2230                   in x1 : foo x2 (n-1)
2231 </programlisting>
2232 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2233 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2234 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2235 work.  So the translation becomes
2236 <programlisting>
2237         foo x = let
2238                   foom 0 = []
2239                   foom n = x : foom (n-1)
2240                 in
2241                 foom
2242 </programlisting>
2243 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2244 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2245 Yikes!
2246 </para><para>
2247 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2248 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2249 </para>
2250 </sect3>
2251
2252 </sect2>
2253
2254 <sect2 id="functional-dependencies">
2255 <title>Functional dependencies
2256 </title>
2257
2258 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2259 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2260 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2261 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2262 .
2263 </para>
2264 <para>
2265 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2266 class declaration;  e.g. 
2267 <programlisting>
2268   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2269
2270   class Foo a b c | a b -> c where ...
2271 </programlisting>
2272 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2273 </para>
2274 </sect2>
2275
2276
2277
2278 <sect2 id="sec-kinding">
2279 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2280
2281 <para>
2282 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2283 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2284 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2285 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2286 John Hughes had to define the data type:
2287 <screen>
2288      data Set cxt a = Set [a]
2289                     | Unused (cxt a -> ())
2290 </screen>
2291 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2292 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2293 </para>
2294 <para>
2295 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2296 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2297 <itemizedlist>
2298 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2299 <screen>
2300   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2301 </screen></para></listitem>
2302 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2303 <screen>
2304   type T (f :: * -> *) = f Int
2305 </screen></para></listitem>
2306 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2307 <screen>
2308   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2309 </screen></para></listitem>
2310 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2311 <screen>
2312   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2313 </screen></para></listitem>
2314 </itemizedlist>
2315 </para>
2316
2317 <para>
2318 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2319 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2320 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2321 single lexeme in Haskell.
2322 </para>
2323
2324 <para>
2325 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2326 as well.  Thus:
2327 <screen>
2328    f :: (Int :: *) -> Int
2329    g :: forall a. a -> (a :: *)
2330 </screen>
2331 The syntax is
2332 <screen>
2333    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2334 </screen>
2335 The parentheses are required.
2336 </para>
2337 </sect2>
2338
2339
2340 <sect2 id="universal-quantification">
2341 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2342 </title>
2343
2344 <para>
2345 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2346 allows us to say exactly what this means.  For example:
2347 </para>
2348 <para>
2349 <programlisting>
2350         g :: b -> b
2351 </programlisting>
2352 means this:
2353 <programlisting>
2354         g :: forall b. (b -> b)
2355 </programlisting>
2356 The two are treated identically.
2357 </para>
2358
2359 <para>
2360 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2361 explicit universal quantification in
2362 types. 
2363 For example, all the following types are legal:
2364 <programlisting>
2365     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2366     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2367
2368     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2369     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2370
2371     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2372 </programlisting>
2373 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2374 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2375 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2376 is implicitly added by Haskell.
2377 </para>
2378 <para>
2379 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2380 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2381 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2382 </para>
2383 <para>
2384 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2385 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2386 </para>
2387 <para>
2388 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2389 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2390 that restriction has now been lifted.)
2391 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2392 including an operational type class context, is legal:
2393 <itemizedlist>
2394 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2395 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2396 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2397 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2398 field type signatures.</para> </listitem>
2399 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2400 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2401 </itemizedlist>
2402 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2403 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2404 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2405 <programlisting>
2406     x1 :: [forall a. a->a]
2407     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2408     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2409 </programlisting>
2410 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2411 a type variable any more!
2412 </para>
2413
2414
2415 <sect3 id="univ">
2416 <title>Examples
2417 </title>
2418
2419 <para>
2420 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2421 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2422 </para>
2423
2424 <para>
2425
2426 <programlisting>
2427 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2428
2429 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2430                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2431                         }
2432
2433 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2434 </programlisting>
2435
2436 </para>
2437
2438 <para>
2439 The constructors have rank-2 types:
2440 </para>
2441
2442 <para>
2443
2444 <programlisting>
2445 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2446 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2447                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2448                   -> MonadT m
2449 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2450 </programlisting>
2451
2452 </para>
2453
2454 <para>
2455 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2456 explicit context.  For example in the first argument of the
2457 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2458 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2459 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2460 mentioned in the type quantified over.
2461 </para>
2462
2463 <para>
2464 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2465 types too.  So if you write this:
2466
2467 <programlisting>
2468   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2469 </programlisting>
2470
2471 it's just as if you had written this:
2472
2473 <programlisting>
2474   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2475 </programlisting>
2476
2477 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2478 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2479 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2480 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2481 </para>
2482
2483 <para>
2484 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2485 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2486 </para>
2487
2488 <para>
2489
2490 <programlisting>
2491     a1 :: T Int
2492     a1 = T1 (\xy->x) 3
2493     
2494     a2, a3 :: Swizzle
2495     a2 = MkSwizzle sort
2496     a3 = MkSwizzle reverse
2497     
2498     a4 :: MonadT Maybe
2499     a4 = let r x = Just x
2500              b m k = case m of
2501                        Just y -> k y
2502                        Nothing -> Nothing
2503          in
2504          MkMonad r b
2505
2506     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2507     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2508 </programlisting>
2509
2510 </para>
2511
2512 <para>
2513 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2514 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2515 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2516 </para>
2517
2518 <para>
2519 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2520 polymorphic types.  For example:
2521 </para>
2522
2523 <para>
2524
2525 <programlisting>
2526     f :: T a -> a -> (a, Char)
2527     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2528
2529     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2530     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2531
2532     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2533     h m [] = return m []
2534     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2535                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2536                  return m (y:ys)
2537 </programlisting>
2538
2539 </para>
2540
2541 <para>
2542 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2543 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2544 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2545 matching.
2546 </para>
2547 </sect3>
2548
2549 <sect3>
2550 <title>Type inference</title>
2551
2552 <para>
2553 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2554 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2555 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2556 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2557 </para>
2558 <para>
2559 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2560 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2561 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2562 </para>
2563 <para>
2564 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2565 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2566 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2567 <programlisting>
2568      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2569 </programlisting>
2570 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2571 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2572 <programlisting>
2573      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2574 </programlisting>
2575 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2576 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2577 one can give a type signature for the function itself:
2578 <programlisting>
2579      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2580      h f = (f True, f 'c')
2581 </programlisting>
2582 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2583 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2584 <programlisting>
2585     f :: T a -> a -> (a, Char)
2586     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2587 </programlisting>
2588 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2589 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2590 it needs to know.
2591 </para>
2592
2593 </sect3>
2594
2595
2596 <sect3 id="implicit-quant">
2597 <title>Implicit quantification</title>
2598
2599 <para>
2600 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2601 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2602 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2603 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2604 equivalent:
2605 <programlisting>
2606   f :: a -> a
2607   f :: forall a. a -> a
2608
2609   g (x::a) = let
2610                 h :: a -> b -> b
2611                 h x y = y
2612              in ...
2613   g (x::a) = let
2614                 h :: forall b. a -> b -> b
2615                 h x y = y
2616              in ...
2617 </programlisting>
2618 </para>
2619 <para>
2620 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2621 point.  For example:
2622 <programlisting>
2623   f :: (a -> a) -> Int
2624            -- MEANS
2625   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2626            -- NOT
2627   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2628
2629
2630   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2631            -- MEANS the illegal type
2632   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2633            -- NOT
2634   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2635 </programlisting>
2636 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2637 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2638 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2639 for rank-2 types.
2640 </para>
2641 </sect3>
2642 </sect2>
2643
2644
2645
2646
2647 <sect2 id="scoped-type-variables">
2648 <title>Scoped type variables
2649 </title>
2650
2651 <para>
2652 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2653 variable</emphasis>.  For example
2654 </para>
2655
2656 <para>
2657
2658 <programlisting>
2659 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2660            where
2661               ys :: [a]
2662               ys = reverse xs
2663 </programlisting>
2664
2665 </para>
2666
2667 <para>
2668 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2669 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2670 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2671 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2672 </para>
2673
2674 <para>
2675  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2676 type signatures.  The two can be used independently or together.
2677 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2678 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2679 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2680 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2681 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2682 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2683 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2684 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2685 it becomes possible to do so.
2686 </para>
2687
2688 <para>
2689 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2690 implementations differ from the specification below, those differences
2691 are noted.
2692 </para>
2693
2694 <para>
2695 So much for the basic idea.  Here are the details.
2696 </para>
2697
2698 <sect3>
2699 <title>What a pattern type signature means</title>
2700 <para>
2701 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2702 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2703 of the same name mean the same type.  For example:
2704 <programlisting>
2705   f :: [Int] -> Int -> Int
2706   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2707 </programlisting>
2708 The pattern type signatures on the left hand side of
2709 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2710 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2711 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2712 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2713 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2714 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2715 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2716 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2717 For example, all of these are legal:</para>
2718
2719 <programlisting>
2720   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2721
2722   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2723
2724   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2725
2726   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2727         in k x                  -- environment
2728
2729   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2730   k (x::Int) False = ...
2731
2732   w :: [b] -> [b]
2733   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2734 </programlisting>
2735
2736 </sect3>
2737
2738 <sect3>
2739 <title>Scope and implicit quantification</title>
2740
2741 <para>
2742
2743 <itemizedlist>
2744 <listitem>
2745
2746 <para>
2747 All the type variables mentioned in a pattern,
2748 that are not already in scope,
2749 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2750 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2751 For example:
2752 <programlisting>
2753   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2754              in
2755              g (x,True)
2756 </programlisting>
2757 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2758 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2759 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2760 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2761 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2762 </para>
2763 </listitem>
2764
2765 <listitem>
2766 <para>
2767 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2768 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2769 <programlisting>
2770   let
2771     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2772     (p::b, q::b) = (1,2)
2773   in &lt;...body of let...>
2774 </programlisting>
2775 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2776 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2777 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2778 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2779 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2780 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2781 </para>
2782 </listitem>
2783
2784
2785 <listitem>
2786 <para>
2787 The type variables bound by the pattern may be 
2788 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2789 type signatures anywhere within their scope.
2790
2791 </para>
2792 </listitem>
2793
2794 <listitem>
2795 <para>
2796  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2797 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2798
2799 </para>
2800 </listitem>
2801
2802 <listitem>
2803
2804 <para>
2805  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2806 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2807
2808 <programlisting>
2809   f :: a -> a
2810   f x = x::a
2811 </programlisting>
2812
2813 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2814 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2815 and that is an incorrect typing.
2816
2817 </para>
2818 </listitem>
2819
2820 <listitem>
2821 <para>
2822 The pattern type signature is a monotype:
2823 </para>
2824
2825 <itemizedlist>
2826 <listitem> <para> 
2827 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2828 </para> </listitem>
2829
2830 <listitem>  <para> 
2831 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2832 not to type schemes.
2833 </para> </listitem>
2834
2835 <listitem>  <para> 
2836 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2837 ordinary type signatures).
2838 </para> </listitem>
2839
2840 </itemizedlist>
2841
2842 </listitem>
2843
2844 <listitem>
2845 <para>
2846
2847 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2848 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2849
2850
2851 <programlisting>
2852   class C a where
2853     op :: [a] -> a
2854
2855     op xs = let ys::[a]
2856                 ys = reverse xs
2857             in
2858             head ys
2859 </programlisting>
2860
2861
2862 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2863 </para>
2864 </listitem>
2865
2866 </itemizedlist>
2867
2868 </para>
2869
2870 </sect3>
2871
2872 <sect3>
2873 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2874
2875 <para>
2876 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2877 <itemizedlist>
2878
2879 <listitem>
2880 <para>
2881 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2882 just on a variable:
2883
2884
2885 <programlisting>
2886   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2887 </programlisting>
2888
2889
2890 </para>
2891 </listitem>
2892 <listitem>
2893
2894 <para>
2895  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2896 in lambda abstractions:
2897
2898 <programlisting>
2899   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2900 </programlisting>
2901 </para>
2902 </listitem>
2903 <listitem>
2904
2905 <para>
2906  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2907 in <literal>case</literal> expressions:
2908
2909 <programlisting>
2910   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
2911 </programlisting>
2912
2913 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
2914 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
2915 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
2916 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
2917 arrow and give a parse error later.
2918
2919 </para>
2920
2921 </listitem>
2922
2923 <listitem>
2924 <para>
2925 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2926 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2927 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2928 consider how one would parse this:
2929
2930
2931 <programlisting>
2932   \ x :: a -> b -> x
2933 </programlisting>
2934
2935
2936 </para>
2937 </listitem>
2938
2939 <listitem>
2940
2941 <para>
2942  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2943 For example:
2944
2945
2946 <programlisting>
2947   data T = forall a. MkT [a]
2948
2949   f :: T -> T
2950   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2951                  where
2952                    t3::[a] = [t,t,t]
2953 </programlisting>
2954
2955
2956 </para>
2957 </listitem>
2958
2959
2960 <listitem>
2961
2962 <para>
2963 Pattern type signatures 
2964 can be used in pattern bindings:
2965
2966 <programlisting>
2967   f x = let (y, z::a) = x in ...
2968   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2969   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2970   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2971 </programlisting>
2972
2973 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2974 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2975 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2976 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2977 In contrast, the binding
2978 <programlisting>
2979   f4 :: b->b
2980   f4 = \x -> x
2981 </programlisting>
2982 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2983 in <literal>f4</literal>'s scope.
2984
2985 </para>
2986 </listitem>
2987 </itemizedlist>
2988 </para>
2989
2990 </sect3>
2991
2992 <sect3>
2993 <title>Result type signatures</title>
2994
2995 <para>
2996 The result type of a function can be given a signature, thus:
2997
2998
2999 <programlisting>
3000   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3001 </programlisting>
3002
3003
3004 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3005 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3006 you want:
3007
3008
3009 <programlisting>
3010   f :: Int -> [a] -> [a]
3011   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3012                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3013 </programlisting>
3014
3015 </para>
3016 <para>
3017 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3018 of the definition. However, consider this corner-case:
3019 <programlisting>
3020   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3021
3022   foo ys = rev (ys::[a])
3023 </programlisting>
3024 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3025 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3026 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3027 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3028 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3029 </para>
3030 <para>
3031 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3032 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3033 is polymorphic:
3034 <programlisting>
3035   rev1 :: [b] -> [b]
3036   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3037 </programlisting>
3038 </para>
3039
3040 <para>
3041 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3042 </para>
3043
3044 </sect3>
3045
3046 </sect2>
3047
3048 <sect2 id="deriving-typeable">
3049 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3050
3051 <para>
3052 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3053 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3054 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3055 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3056 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3057 </para>
3058 <para>
3059 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3060 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3061 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3062 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3063 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3064 </para>
3065 </sect2>
3066
3067 <sect2 id="newtype-deriving">
3068 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3069
3070 <para>
3071 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3072 the new type to inherit some instances from its representation. In
3073 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3074 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3075 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3076 example, if you define
3077
3078 <programlisting> 
3079   newtype Dollars = Dollars Int 
3080 </programlisting> 
3081
3082 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3083 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3084
3085 <programlisting> 
3086   instance Num Dollars where
3087     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3088     ...
3089 </programlisting>
3090 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3091 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3092 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3093 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3094 dictionary, only slower!
3095 </para>
3096
3097
3098 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3099 <para>
3100 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3101 <programlisting> 
3102   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3103 </programlisting> 
3104
3105 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3106 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3107 derives an instance declaration of the form
3108
3109 <programlisting> 
3110   instance Num Int => Num Dollars
3111 </programlisting> 
3112
3113 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3114 </para>
3115 <para>
3116
3117 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3118 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3119 transformers, such that
3120
3121 <programlisting> 
3122   instance Monad m => Monad (State s m) 
3123   instance Monad m => Monad (Failure m)
3124 </programlisting> 
3125 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3126 <programlisting> 
3127   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3128 </programlisting> 
3129
3130 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3131 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3132 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3133
3134 <programlisting> 
3135   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3136                          deriving Monad
3137 </programlisting>
3138 In this case the derived instance declaration is of the form 
3139 <programlisting> 
3140   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3141 </programlisting> 
3142
3143 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3144 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3145 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3146 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3147 declaration.
3148 </para>
3149 <para>
3150
3151 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3152 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3153 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3154 clause. For example, given the class
3155
3156 <programlisting> 
3157   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3158   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3159 </programlisting> 
3160 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3161 <programlisting> 
3162   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3163                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3164 </programlisting>
3165
3166 The derived instance is obtained by completing the application of the
3167 class to the new type:
3168
3169 <programlisting> 
3170   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3171            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3172 </programlisting>
3173 </para>
3174 <para>
3175
3176 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3177 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3178 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3179 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3180 the newtype and its representation.
3181 </para>
3182 </sect3>
3183
3184 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3185 <para>
3186 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3187 declaration (after expansion of any type synonyms)
3188
3189 <programlisting> 
3190   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3191 </programlisting> 
3192
3193 where 
3194  <itemizedlist>
3195 <listitem><para>
3196   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3197 </para></listitem>
3198 <listitem><para>
3199   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3200 </para></listitem>
3201 <listitem><para>
3202   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3203   the <literal>ti</literal>, and
3204 </para></listitem>
3205 <listitem><para>
3206   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3207   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3208   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3209 </para></listitem>
3210 <listitem><para>
3211   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3212                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3213                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3214                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3215                 via this new mechanism.  
3216 </para></listitem>
3217 </itemizedlist>
3218 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3219 declaration is:
3220 <programlisting> 
3221   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3222 </programlisting>
3223 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3224 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3225 </para>
3226 <para>
3227
3228 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3229 <programlisting> 
3230   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3231 </programlisting> 
3232 Here we cannot derive the instance 
3233 <programlisting> 
3234   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3235 </programlisting> 
3236
3237 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3238 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3239 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3240 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3241 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3242 </para>
3243 <para>
3244
3245 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3246 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3247 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3248
3249 <programlisting> 
3250   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3251 </programlisting>
3252
3253 then we would not have been able to derive an instance for the
3254 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3255 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3256 instances is most interesting.
3257 </para>
3258 </sect3>
3259
3260 </sect2>
3261
3262
3263 </sect1>
3264 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3265   
3266 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3267
3268 <sect1 id="gadt">
3269 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3270
3271 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3272 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3273 <programlisting>
3274   data Term a where
3275       Lit    :: Int -> Term Int
3276       Succ   :: Term Int -> Term Int
3277       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3278       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3279       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3280 </programlisting>
3281 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3282 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3283 for these <literal>Terms</literal>:
3284 <programlisting>
3285   eval :: Term a -> a
3286   eval (Lit i)      = i
3287   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3288   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3289   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3290   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3291 </programlisting>
3292 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3293 </para>
3294 <para> The extensions to GHC are these:
3295 <itemizedlist>
3296 <listitem><para>
3297   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3298 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3299 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3300 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3301 <programlisting>
3302   data Term :: * -> * where ...
3303 </programlisting>
3304 or even a mixture of the two:
3305 <programlisting>
3306   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3307 </programlisting>
3308 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3309 like this:
3310 <programlisting>
3311   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3312 </programlisting>
3313 </para></listitem>
3314
3315 <listitem><para>
3316 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3317 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3318 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3319 </para></listitem>
3320
3321 <listitem><para>
3322 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type declaration,
3323 nor can you use record syntax.  (It's not clear what these constructs would mean.  For example,
3324 the record selectors might ill-typed.)  However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3325 in the constructor type:
3326 <programlisting>
3327   data Term a where
3328       Lit    :: !Int -> Term Int
3329       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3330       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3331 </programlisting>
3332 </para></listitem>
3333
3334 <listitem><para>
3335 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3336 <programlisting>
3337   eval :: Term a -> a
3338   eval (Lit i) =  ...
3339 </programlisting>
3340 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3341 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3342 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3343
3344 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3345 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3346 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3347 <programlisting>
3348   eval :: Term a -> a -> a
3349   eval (Lit i) j =  i+j
3350 </programlisting>
3351 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3352 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3353 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3354 </para>
3355 </listitem>
3356 </itemizedlist>
3357 </para>
3358
3359 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3360 <programlisting>
3361   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3362   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T a }
3363 </programlisting>
3364 </para>
3365 </sect1>
3366
3367 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3368
3369 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3370
3371 <sect1 id="template-haskell">
3372 <title>Template Haskell</title>
3373
3374 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3375 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3376 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3377 the background to
3378 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3379 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3380 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3381 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3382 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3383 (search for the type ExpQ).
3384 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3385       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3386 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3387 </para>
3388
3389 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3390 </para>
3391
3392 <para>
3393 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3394 Tim Sheard is going to expand it.)
3395 </para>
3396
3397     <sect2>
3398       <title>Syntax</title>
3399
3400       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3401       constructions.  You need to use the flag
3402       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3403       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3404       (<option>-fth</option> is currently implied by
3405       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3406       specify it explicitly).</para>
3407
3408         <itemizedlist>
3409               <listitem><para>
3410                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3411                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3412                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3413                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3414                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3415                   </para>
3416               <para> A splice can occur in place of 
3417                   <itemizedlist>
3418                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3419                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3420                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3421                     </itemizedlist>
3422            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3423         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3424         as in the paper.)
3425                 </para></listitem>
3426
3427
3428               <listitem><para>
3429                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3430                   <itemizedlist>
3431                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3432                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3433                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3434                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3435                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3436                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3437                   </itemizedlist></para></listitem>
3438
3439               <listitem><para>
3440                   Reification is written thus:
3441                   <itemizedlist>
3442                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3443                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3444                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3445                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3446                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3447                     
3448                   </itemizedlist></para>
3449                 </listitem>
3450
3451                   
3452         </itemizedlist>
3453 </sect2>
3454
3455 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3456 <para>
3457 <itemizedlist>
3458     <listitem><para>
3459     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3460     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3461     </para></listitem>
3462
3463     <listitem><para>
3464     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3465             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3466             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3467    </para></listitem>
3468
3469     <listitem><para>
3470             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3471    </para></listitem>
3472     <listitem><para>
3473             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3474               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3475               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3476               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3477               those of the compiler itself.
3478    </para></listitem>
3479 </itemizedlist>
3480 </para>
3481 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3482         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3483         has been lifted.
3484 </para>
3485 </sect2>
3486  
3487 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3488 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3489   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3490
3491 <programlisting>
3492
3493 {- Main.hs -}
3494 module Main where
3495
3496 -- Import our template "pr"
3497 import Printf ( pr )
3498
3499 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3500 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3501 -- the argument of "putStrLn".
3502 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3503
3504
3505 {- Printf.hs -}
3506 module Printf where
3507
3508 -- Skeletal printf from the paper.
3509 -- It needs to be in a separate module to the one where
3510 -- you intend to use it.
3511
3512 -- Import some Template Haskell syntax
3513 import Language.Haskell.TH
3514
3515 -- Describe a format string
3516 data Format = D | S | L String
3517
3518 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3519 -- as we are here interested in building our first ever
3520 -- Template Haskell program and not in building printf.
3521 parse :: String -> [Format]
3522 parse s   = [ L s ]
3523
3524 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3525 -- of the format string.  This code will be spliced into
3526 -- the module which calls "pr", at compile time.
3527 gen :: [Format] -> ExpQ
3528 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3529 gen [S]   = [| \s -> s |]
3530 gen [L s] = stringE s
3531
3532 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3533 -- from an input format string.
3534 pr :: String -> ExpQ
3535 pr s      = gen (parse s)
3536 </programlisting>
3537
3538 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3539 </para>
3540 <programlisting>
3541 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3542 </programlisting>
3543
3544 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3545
3546 <programlisting>
3547 $ ./main
3548 Hello
3549 </programlisting>
3550
3551 </sect2>
3552  
3553 </sect1>
3554
3555 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3556
3557 <sect1 id="arrow-notation">
3558 <title>Arrow notation
3559 </title>
3560
3561 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3562 For more details, see
3563 <itemizedlist>
3564
3565 <listitem>
3566 <para>
3567 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3568 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3569 pp67&ndash;111, May 2000.
3570 </para>
3571 </listitem>
3572
3573 <listitem>
3574 <para>
3575 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3576 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3577 </para>
3578 </listitem>
3579
3580 <listitem>
3581 <para>
3582 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3583 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3584 Palgrave, 2003.
3585 </para>
3586 </listitem>
3587
3588 </itemizedlist>
3589 and the arrows web page at
3590 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3591 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3592 notation described in the second of these papers.
3593 What follows is a brief introduction to the notation;
3594 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3595 This notation is translated to ordinary Haskell,
3596 using combinators from the
3597 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3598 module.
3599 </para>
3600
3601 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3602 <screen>
3603 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3604        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3605 </screen>
3606 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3607 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3608 <literal>proc</literal>-expression,
3609 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3610 The syntax of commands is as follows:
3611 <screen>
3612 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3613        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3614        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3615 </screen>
3616 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3617 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3618 infix operators as for expressions, and
3619 <screen>
3620 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3621        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3622        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3623        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3624        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3625        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3626
3627 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3628        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3629        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3630
3631 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3632        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3633        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3634        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3635 </screen>
3636 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3637 except that the bodies are commands instead of expressions.
3638 </para>
3639
3640 <para>
3641 Commands produce values, but (like monadic computations)
3642 may yield more than one value,
3643 or none, and may do other things as well.
3644 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3645 using commands.
3646 However the values of expressions, even monadic ones,
3647 are determined by the values of the variables they contain;
3648 this is not necessarily the case for commands.
3649 </para>
3650
3651 <para>
3652 A simple example of the new notation is the expression
3653 <screen>
3654 proc x -> f -&lt; x+1
3655 </screen>
3656 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3657 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3658 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3659 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3660 It refers to the input to the arrow.
3661 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3662 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3663 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3664 (The weird look will make more sense later.)
3665 It may be read as analogue of application for arrows.
3666 The above example is equivalent to the Haskell expression
3667 <screen>
3668 arr (\ x -> x+1) >>> f
3669 </screen>
3670 That would make no sense if the expression to the left of
3671 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3672 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3673 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3674 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3675 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3676 <screen>
3677 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3678 </screen>
3679 which is equivalent to
3680 <screen>
3681 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3682 </screen>
3683 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3684 class.
3685 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3686 you may find a monadic formulation more convenient.
3687 </para>
3688
3689 <sect2>
3690 <title>do-notation for commands</title>
3691
3692 <para>
3693 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3694 For example, you can write
3695 <screen>
3696 proc x -> do
3697         y &lt;- f -&lt; x+1
3698         g -&lt; 2*y
3699         let z = x+y
3700         t &lt;- h -&lt; x*z
3701         returnA -&lt; t+z
3702 </screen>
3703 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3704 but with commands in place of monadic expressions.
3705 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3706 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3707 <literal>y</literal>.
3708 In the next line, the output is discarded.
3709 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3710 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3711 module as <literal>arr id</literal>.
3712 The above example is treated as an abbreviation for
3713 <screen>
3714 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3715         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3716         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3717         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3718         arr snd >>>
3719         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3720         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3721         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3722         returnA
3723 </screen>
3724 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3725 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3726 defined in the
3727 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3728 module, this reduces to
3729 <screen>
3730 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3731         first f >>>
3732         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3733         first g >>>
3734         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3735         first h >>>
3736         arr (\ (t, z) -> t+z)
3737 </screen>
3738 which is what you might have written by hand.
3739 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3740 </para>
3741
3742 <para>
3743 Note that although the above translation suggests that
3744 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3745 monomorphic, the actual translation produces Core,
3746 so polymorphic variables are allowed.
3747 </para>
3748
3749 <para>
3750 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3751 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3752 <programlisting>
3753 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3754 counter = proc reset -> do
3755         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3756                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3757         returnA -&lt; output
3758 </programlisting>
3759 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
3760 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3761 </para>
3762
3763 </sect2>
3764
3765 <sect2>
3766 <title>Conditional commands</title>
3767
3768 <para>
3769 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3770 input for an arrow.
3771 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3772 <screen>
3773 proc (x,y) ->
3774         if f x y
3775         then g -&lt; x+1
3776         else h -&lt; y+2
3777 </screen>
3778 which is translated to
3779 <screen>
3780 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3781         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3782 </screen>
3783 Since the translation uses <function>|||</function>,
3784 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3785 </para>
3786
3787 <para>
3788 There are also <literal>case</literal> commands, like
3789 <screen>
3790 case input of
3791     [] -> f -&lt; ()
3792     [x] -> g -&lt; x+1
3793     x1:x2:xs -> do
3794         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3795         ys &lt;- k -&lt; xs
3796         returnA -&lt; y:ys
3797 </screen>
3798 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3799 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3800 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3801 </para>
3802
3803 </sect2>
3804
3805 <sect2>
3806 <title>Defining your own control structures</title>
3807
3808 <para>
3809 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3810 modelled on those for expressions,
3811 for sequencing, value recursion and conditionals.
3812 But suitable combinators,
3813 which you can define in ordinary Haskell,
3814 may also be used to build new commands out of existing ones.
3815 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3816 These environments assign values to the free local variables of the command.
3817 Thus combinators that produce arrows from arrows
3818 may also be used to build commands from commands.
3819 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3820 <programlisting>
3821 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3822 </programlisting>
3823 so we can use it to build commands:
3824 <programlisting>
3825 expr' = proc x -> do
3826                 returnA -&lt; x
3827         &lt;+> do
3828                 symbol Plus -&lt; ()
3829                 y &lt;- term -&lt; ()
3830                 expr' -&lt; x + y
3831         &lt;+> do
3832                 symbol Minus -&lt; ()
3833                 y &lt;- term -&lt; ()
3834                 expr' -&lt; x - y
3835 </programlisting>
3836 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3837 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3838 expression on the previous line.)
3839 This is equivalent to
3840 <programlisting>
3841 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3842         &lt;+> (proc x -> do
3843                 symbol Plus -&lt; ()
3844                 y &lt;- term -&lt; ()
3845                 expr' -&lt; x + y)
3846         &lt;+> (proc x -> do
3847                 symbol Minus -&lt; ()
3848                 y &lt;- term -&lt; ()
3849                 expr' -&lt; x - y)
3850 </programlisting>
3851 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3852 (representing the environment input to the command
3853 and thence to its subcommands)
3854 and satisfy the corresponding naturality property
3855 <screen>
3856 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3857 </screen>
3858 at least for strict <literal>k</literal>.
3859 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
3860 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3861 of the whole command,
3862 and also allows the translation to safely trim these environments.
3863 The operator must also not use any variable defined within the current
3864 arrow abstraction.
3865 </para>
3866
3867 <para>
3868 We could define our own operator
3869 <programlisting>
3870 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3871 untilA body cond = proc x ->
3872         if cond x then returnA -&lt; ()
3873         else do
3874                 body -&lt; x
3875                 untilA body cond -&lt; x
3876 </programlisting>
3877 and use it in the same way.
3878 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3879 there is also a more general syntax involving special brackets:
3880 <screen>
3881 proc x -> do
3882         y &lt;- f -&lt; x+1
3883         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3884 </screen>
3885 </para>
3886
3887 </sect2>
3888
3889 <sect2>
3890 <title>Primitive constructs</title>
3891
3892 <para>
3893 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3894 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3895 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3896 exception that occurred to the handler.
3897 Such an operator might have a type
3898 <screen>
3899 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3900 </screen>
3901 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3902 You could then use this with arrow notation by writing a command
3903 <screen>
3904 body `handleA` \ ex -> handler
3905 </screen>
3906 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3907 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3908 and the command <literal>handler</literal>,
3909 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3910 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3911 we are talking about commands, and something different is going on.
3912 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3913 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3914 In all the prior examples, this stack was empty.
3915 In the second argument to <function>handleA</function>,
3916 this stack consists of one value, the value of the exception.
3917 The command form of lambda merely gives this value a name.
3918 </para>
3919
3920 <para>
3921 More concretely,
3922 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3923 So operators like <function>handleA</function> that pass
3924 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
3925 by pairing the values with the environment in this way.
3926 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3927 should have the form
3928 <screen>
3929 a (...(e,t1), ... tn) t
3930 </screen>
3931 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3932 (representing the environment)
3933 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3934 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3935 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3936 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3937 <replaceable>t</replaceable>.
3938 However the arrows involved need not be the same.
3939 Here are some more examples of suitable operators:
3940 <screen>
3941 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3942 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3943 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3944 </screen>
3945 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3946 by applying them to ordinary expressions, as in
3947 <screen>
3948 proc x -> do
3949         s &lt;- ...
3950         (|runReader (do { ... })|) s
3951 </screen>
3952 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3953 built using <function>runReader</function>.
3954 </para>
3955
3956 <para>
3957 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3958 the expression versions.
3959 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3960 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3961 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3962 though the results would be somewhat clumsy.
3963 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3964 <programlisting>
3965 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3966 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
3967
3968 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3969 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3970 </programlisting>
3971 We could simulate <literal>if</literal> by defining
3972 <programlisting>
3973 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3974 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3975 </programlisting>
3976 </para>
3977
3978 </sect2>
3979
3980 <sect2>
3981 <title>Differences with the paper</title>
3982
3983 <itemizedlist>
3984
3985 <listitem>
3986 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3987 translations, the implementation provides two forms
3988 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3989 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3990 </para>
3991 </listitem>
3992
3993 <listitem>
3994 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3995 a new <literal>form</literal> keyword.
3996 </para>
3997 </listitem>
3998
3999 </itemizedlist>
4000
4001 </sect2>
4002
4003 <sect2>
4004 <title>Portability</title>
4005
4006 <para>
4007 Although only GHC implements arrow notation directly,
4008 there is also a preprocessor
4009 (available from the 
4010 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4011 that translates arrow notation into Haskell 98
4012 for use with other Haskell systems.
4013 You would still want to check arrow programs with GHC;
4014 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4015 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4016 additional restrictions:
4017 <itemizedlist>
4018
4019 <listitem>
4020 <para>
4021 The module must import
4022 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4023 </para>
4024 </listitem>
4025
4026 <listitem>
4027 <para>
4028 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4029 These would have to go in separate modules.
4030 </para>
4031 </listitem>
4032
4033 <listitem>
4034 <para>
4035 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4036 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4037 </para>
4038 </listitem>
4039
4040 </itemizedlist>
4041 </para>
4042
4043 </sect2>
4044
4045 </sect1>
4046
4047 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4048
4049 <sect1 id="sec-assertions">
4050 <title>Assertions
4051 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4052 </title>
4053
4054 <para>
4055 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4056 could define a function like the following:
4057 </para>
4058
4059 <para>
4060
4061 <programlisting>
4062 assert :: Bool -> a -> a
4063 assert False x = error "assertion failed!"
4064 assert _     x = x
4065 </programlisting>
4066
4067 </para>
4068
4069 <para>
4070 which works, but gives you back a less than useful error message --
4071 an assertion failed, but which and where?
4072 </para>
4073
4074 <para>
4075 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4076 takes a descriptive string to include in the error message and
4077 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4078 the source location where <function>assert</function> was used.
4079 </para>
4080
4081 <para>
4082 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4083 use of <function>assert</function> in the user's source:
4084 </para>
4085
4086 <para>
4087
4088 <programlisting>
4089 kelvinToC :: Double -> Double
4090 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4091 </programlisting>
4092
4093 </para>
4094
4095 <para>
4096 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4097 assertion was made,
4098 </para>
4099
4100 <para>
4101
4102 <programlisting>
4103 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4104 </programlisting>
4105
4106 </para>
4107
4108 <para>
4109 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4110 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4111 can still define and use your own versions of
4112 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4113 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4114 <function>assert</function> in your code.
4115 </para>
4116
4117 <para>
4118 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4119 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4120 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4121 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4122 <literal>e</literal>.
4123 </para>
4124
4125 <para>
4126 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4127 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4128 </para>
4129
4130 </sect1>
4131
4132
4133 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4134
4135   <sect1 id="pragmas">
4136     <title>Pragmas</title>
4137
4138     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4139
4140     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4141     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4142     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4143     of the generated code.</para>
4144
4145     <para>Pragmas all take the form
4146
4147 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4148
4149     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4150     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4151     type of pragma.  Case is ignored in
4152     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4153     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4154     in the following sections; any pragma encountered with an
4155     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4156     ignored.</para>
4157
4158     <sect2 id="deprecated-pragma">
4159       <title>DEPRECATED pragma</title>
4160       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4161       </indexterm>
4162
4163       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4164       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4165       forms.
4166
4167       <itemizedlist>
4168         <listitem>
4169           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4170 <programlisting>
4171    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4172      ...
4173 </programlisting>
4174           <para>When you compile any module that import
4175           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4176           message.</para>
4177         </listitem>
4178
4179         <listitem>
4180           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4181           following top-level declaration:</para>
4182 <programlisting>
4183    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4184 </programlisting>
4185           <para>When you compile any module that imports and uses any
4186           of the specified entities, GHC will print the specified
4187           message.</para>
4188         </listitem>
4189       </itemizedlist>
4190       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4191       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4192       deprecations are not reported for
4193       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4194       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4195       The latter reduces spurious complaints within a library
4196       in which one module gathers together and re-exports 
4197       the exports of several others.
4198       </para>
4199       <para>You can suppress the warnings with the flag
4200       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4201     </sect2>
4202
4203     <sect2 id="include-pragma">
4204       <title>INCLUDE pragma</title>
4205
4206       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4207         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4208         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4209         compiling via C).  For example:</para>
4210
4211 <programlisting>
4212 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4213 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4214
4215       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4216         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4217         pragma(s).</para>
4218
4219       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4220         to the <option>-#include</option> option (<xref
4221           linkend="options-C-compiler" />), because the
4222         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4223         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4224         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4225         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4226     </sect2>
4227
4228     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4229       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4230
4231       <para>These pragmas control the inlining of function
4232       definitions.</para>
4233
4234       <sect3 id="inline-pragma">
4235         <title>INLINE pragma</title>
4236         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4237
4238         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4239         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4240         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4241         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4242         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4243         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4244         export that unfolding for other modules to use.</para>
4245
4246         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4247         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4248         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4249
4250 <programlisting>
4251 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4252
4253 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4254 {-# INLINE key_function #-}
4255 #endif
4256 </programlisting>
4257
4258         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4259         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4260         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4261
4262         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4263         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4264         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4265         inline it.</para>
4266
4267         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4268         function can be put anywhere its type signature could be
4269         put.</para>
4270
4271         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4272         good idea for the
4273         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4274         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4275         a monad.  For example, in GHC's own
4276         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4277
4278 <programlisting>
4279 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4280 {-# INLINE thenUs #-}
4281 {-# INLINE returnUs #-}
4282 #endif
4283 </programlisting>
4284
4285         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4286         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4287       </sect3>
4288
4289       <sect3 id="noinline-pragma">
4290         <title>NOINLINE pragma</title>
4291         
4292         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4293         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4294
4295         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4296         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4297         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4298         you're very cautious about code size.</para>
4299
4300         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4301         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4302         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4303         inlining, so it should be used if you want your code to be
4304         portable).</para>
4305       </sect3>
4306
4307       <sect3 id="phase-control">
4308         <title>Phase control</title>
4309
4310         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4311         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4312         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4313         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4314         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4315         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4316         sequence of phase numbers for successive runs of the
4317         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4318         phase number, thus:</para>
4319
4320         <itemizedlist>
4321           <listitem>
4322             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4323             and all subsequent phases":
4324 <programlisting>
4325   {-# INLINE [2] f #-}
4326 </programlisting>
4327             </para>
4328           </listitem>
4329
4330           <listitem>
4331             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4332             phases up to, but not including, Phase 3":
4333 <programlisting>
4334   {-# INLINE [~3] g #-}
4335 </programlisting>
4336             </para>
4337           </listitem>
4338
4339           <listitem>
4340             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4341             all phases".</para>
4342           </listitem>
4343         </itemizedlist>
4344
4345         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4346
4347         <itemizedlist>
4348           <listitem>
4349             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4350             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4351             there was no pragma at all":
4352 <programlisting>
4353   {-# NOINLINE [2] f #-}
4354 </programlisting>
4355             </para>
4356           </listitem>
4357
4358           <listitem>
4359             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4360             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4361             there was no pragma":
4362 <programlisting>
4363   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4364 </programlisting>
4365             </para>
4366           </listitem>
4367
4368           <listitem>
4369             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4370             inline this function".</para>
4371           </listitem>
4372         </itemizedlist>
4373
4374         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4375         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4376       </sect3>
4377     </sect2>
4378
4379     <sect2 id="line-pragma">
4380       <title>LINE pragma</title>
4381
4382       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4383       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4384       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4385       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4386       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4387       original code; for example</para>
4388
4389 <programlisting>
4390 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4391 </programlisting>
4392
4393       <para>if you'd generated the current file from something called
4394       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4395       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4396       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4397       pragma.</para>
4398     </sect2>
4399
4400     <sect2 id="options-pragma">
4401       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4402       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4403       </indexterm>
4404       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4405       </indexterm>
4406
4407       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4408       additional options that are given to the compiler when compiling
4409       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4410       details.</para>
4411
4412       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4413         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4414     </sect2>
4415
4416     <sect2 id="rules">
4417       <title>RULES pragma</title>
4418
4419       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4420       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4421     </sect2>
4422
4423     <sect2 id="specialize-pragma">
4424       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4425
4426       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4427       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4428       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4429
4430       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4431       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4432       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4433       overloaded function:</para>
4434
4435 <programlisting>
4436 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4437 </programlisting>
4438
4439       <para>If it is heavily used on lists with
4440       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4441       follows:</para>
4442
4443 <programlisting>
4444 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4445 </programlisting>
4446
4447       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4448       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4449
4450       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4451       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4452       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4453       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4454
4455       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4456       specialised function for a given type:
4457
4458 <programlisting>
4459 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4460 </programlisting>
4461
4462       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4463       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4464
4465     </sect2>
4466
4467 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4468 <title>SPECIALIZE instance pragma
4469 </title>
4470
4471 <para>
4472 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4473 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4474 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4475
4476 <programlisting>
4477 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4478    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4479    ... usual stuff ...
4480  }
4481 </programlisting>
4482 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4483 of the instance declaration.
4484 </para>
4485 <para>
4486 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4487 of the pragma.
4488 </para>
4489
4490 </sect2>
4491
4492     <sect2 id="unpack-pragma">
4493       <title>UNPACK pragma</title>
4494
4495       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4496       
4497       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4498       that it should unpack the contents of a constructor field into
4499       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4500       example:</para>
4501
4502 <programlisting>
4503 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4504            {-# UNPACK #-} !Float
4505 </programlisting>
4506
4507       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4508       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4509       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4510       floats passed to a non-strict function for example, they will
4511       have to be reboxed (this is done automatically by the
4512       compiler).</para>
4513
4514       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4515       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4516       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4517       often as possible.  For example:</para>
4518
4519 <programlisting>
4520 f :: T -&#62; Float
4521 f (T f1 f2) = f1 + f2
4522 </programlisting>
4523
4524       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4525       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4526       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4527
4528       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4529       example</para>
4530
4531 <programlisting>
4532 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4533 </programlisting>
4534
4535       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4536       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4537       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4538
4539 <programlisting>
4540 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4541 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4542 </programlisting>
4543
4544       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4545       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4546       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4547
4548       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4549       so it might be an idea to check the generated code with
4550       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4551
4552       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4553       which essentially has the effect of adding
4554       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4555       constructor field.</para>
4556     </sect2>
4557
4558 </sect1>
4559
4560 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4561
4562 <sect1 id="rewrite-rules">
4563 <title>Rewrite rules
4564
4565 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4566 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4567 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4568
4569 <para>
4570 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4571 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4572 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4573 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4574 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4575 </para>
4576
4577 <para>
4578 Here is an example:
4579
4580 <programlisting>
4581   {-# RULES
4582         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4583   #-}
4584 </programlisting>
4585
4586 </para>
4587
4588 <sect2>
4589 <title>Syntax</title>
4590
4591 <para>
4592 From a syntactic point of view:
4593
4594 <itemizedlist>
4595 <listitem>
4596
4597 <para>
4598  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4599 </para>
4600 </listitem>
4601
4602 <listitem>
4603
4604 <para>
4605  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4606 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4607 </para>
4608 </listitem>
4609
4610 <listitem>
4611 <para>
4612 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4613 immediately after the name of the rule.  Thus:
4614 <programlisting>
4615   {-# RULES
4616         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4617   #-}
4618 </programlisting>
4619 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4620 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4621 Phase 2.
4622 </para>
4623 </listitem>
4624
4625
4626 <listitem>
4627
4628 <para>
4629  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4630 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4631 enclosing definitions.
4632 </para>
4633 </listitem>
4634
4635 <listitem>
4636
4637 <para>
4638  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4639 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4640 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4641 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4642 </para>
4643 </listitem>
4644 <listitem>
4645
4646 <para>
4647  A pattern variable may optionally have a type signature.
4648 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4649 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4650
4651 <programlisting>
4652 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4653               foldr k z (build g) = g k z
4654 </programlisting>
4655
4656 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4657
4658 </para>
4659 </listitem>
4660 <listitem>
4661
4662 <para>
4663 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4664 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4665
4666 <programlisting>
4667 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4668 "wrong2"   forall f.      f True = True
4669 </programlisting>
4670
4671 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4672 in the head.
4673 </para>
4674 </listitem>
4675 <listitem>
4676
4677 <para>
4678  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4679 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4680 </para>
4681 </listitem>
4682 <listitem>
4683
4684 <para>
4685  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4686 </para>
4687 </listitem>
4688
4689 </itemizedlist>
4690
4691 </para>
4692
4693 </sect2>
4694
4695 <sect2>
4696 <title>Semantics</title>
4697
4698 <para>
4699 From a semantic point of view:
4700
4701 <itemizedlist>
4702 <listitem>
4703
4704 <para>
4705 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4706 </para>
4707 </listitem>
4708
4709 <listitem>
4710 <para>
4711  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4712 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4713 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4714 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4715 expression by substituting for the pattern variables.
4716
4717 </para>
4718 </listitem>
4719 <listitem>
4720
4721 <para>
4722  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4723 same type.
4724
4725 </para>
4726 </listitem>
4727 <listitem>
4728
4729 <para>
4730  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4731 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
4732 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4733
4734 </para>
4735 </listitem>
4736 <listitem>
4737
4738 <para>
4739  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4740 terminating.  For example:
4741
4742 <programlisting>
4743   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4744 </programlisting>
4745
4746 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4747
4748 </para>
4749 </listitem>
4750 <listitem>
4751
4752 <para>
4753  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4754
4755 </para>
4756 </listitem>
4757 <listitem>
4758 <para>
4759  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4760 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4761 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4762 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4763 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
4764 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4765 </para>
4766
4767 <para>
4768 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4769 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4770 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4771 </para>
4772 </listitem>
4773 <listitem>
4774
4775 <para>
4776  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4777 For example, consider:
4778
4779 <programlisting>
4780   let s = map f
4781       t = map g
4782   in
4783   s (t xs)
4784 </programlisting>
4785
4786 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4787 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4788 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4789 not be substituted, and the rule would not fire.
4790
4791 </para>
4792 </listitem>
4793 <listitem>
4794
4795 <para>
4796  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4797 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4798 for something you can't match against it (given the simple minded
4799 matching).  So if you write the rule
4800
4801 <programlisting>
4802         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4803 </programlisting>
4804
4805 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4806 It will only match something written with explicit use of ".".
4807 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4808
4809 <programlisting>
4810 wibble f g xs
4811 </programlisting>
4812
4813 where <function>wibble</function> is defined:
4814
4815 <programlisting>
4816 wibble f g = map f . map g
4817 </programlisting>
4818
4819 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4820
4821 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4822 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4823 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4824
4825 </para>
4826 </listitem>
4827 <listitem>
4828
4829 <para>
4830  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4831 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4832 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4833 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4834 declarations.
4835 </para>
4836 </listitem>
4837
4838 </itemizedlist>
4839
4840 </para>
4841
4842 </sect2>
4843
4844 <sect2>
4845 <title>List fusion</title>
4846
4847 <para>
4848 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4849 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4850 intermediate list should be eliminated entirely.
4851 </para>
4852
4853 <para>
4854 The following are good producers:
4855
4856 <itemizedlist>
4857 <listitem>
4858
4859 <para>
4860  List comprehensions
4861 </para>
4862 </listitem>
4863 <listitem>
4864
4865 <para>
4866  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4867 </para>
4868 </listitem>
4869 <listitem>
4870
4871 <para>
4872  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4873 </para>
4874 </listitem>
4875 <listitem>
4876
4877 <para>
4878  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4879 </para>
4880 </listitem>
4881 <listitem>
4882
4883 <para>
4884  <function>++</function>
4885 </para>
4886 </listitem>
4887
4888 <listitem>
4889 <para>
4890  <function>map</function>
4891 </para>
4892 </listitem>
4893
4894 <listitem>
4895 <para>
4896  <function>filter</function>
4897 </para>
4898 </listitem>
4899 <listitem>
4900
4901 <para>
4902  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4903 </para>
4904 </listitem>
4905 <listitem>
4906
4907 <para>
4908  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4909 </para>
4910 </listitem>
4911
4912 </itemizedlist>
4913
4914 </para>
4915
4916 <para>
4917 The following are good consumers:
4918
4919 <itemizedlist>
4920 <listitem>
4921
4922 <para>
4923  List comprehensions
4924 </para>
4925 </listitem>
4926 <listitem>
4927
4928 <para>
4929  <function>array</function> (on its second argument)
4930 </para>
4931 </listitem>
4932 <listitem>
4933
4934 <para>
4935  <function>length</function>
4936 </para>
4937 </listitem>
4938 <listitem>
4939
4940 <para>
4941  <function>++</function> (on its first argument)
4942 </para>
4943 </listitem>
4944
4945 <listitem>
4946 <para>
4947  <function>foldr</function>
4948 </para>
4949 </listitem>
4950
4951 <listitem>
4952 <para>
4953  <function>map</function>
4954 </para>
4955 </listitem>
4956 <listitem>
4957
4958 <para>
4959  <function>filter</function>
4960 </para>
4961 </listitem>
4962 <listitem>
4963
4964 <para>
4965  <function>concat</function>
4966 </para>
4967 </listitem>
4968 <listitem>
4969
4970 <para>
4971  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4972 </para>
4973 </listitem>
4974 <listitem>
4975
4976 <para>
4977  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4978 will fuse with one but not the other)
4979 </para>
4980 </listitem>
4981 <listitem>
4982
4983 <para>
4984  <function>partition</function>
4985 </para>
4986 </listitem>
4987 <listitem>
4988
4989 <para>
4990  <function>head</function>
4991 </para>
4992 </listitem>
4993 <listitem>
4994
4995 <para>
4996  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4997 </para>
4998 </listitem>
4999 <listitem>
5000
5001 <para>
5002  <function>sequence&lowbar;</function>
5003 </para>
5004 </listitem>
5005 <listitem>
5006
5007 <para>
5008  <function>msum</function>
5009 </para>
5010 </listitem>
5011 <listitem>
5012
5013 <para>
5014  <function>sortBy</function>
5015 </para>
5016 </listitem>
5017
5018 </itemizedlist>
5019
5020 </para>
5021
5022  <para>
5023 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5024
5025 <programlisting>
5026 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5027 </programlisting>
5028
5029 </para>
5030
5031 <para>
5032 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5033 a lot which are not included, please tell us.
5034 </para>
5035
5036 <para>
5037 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5038 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5039 </para>
5040
5041 </sect2>
5042
5043 <sect2 id="rule-spec">
5044 <title>Specialisation
5045 </title>
5046
5047 <para>
5048 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5049 present in earlier versions of GHC.
5050 For example, suppose that:
5051
5052 <programlisting>
5053 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5054 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5055 </programlisting>
5056
5057 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5058 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5059 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5060 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5061 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5062 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5063 It used to be possible to write
5064
5065 <programlisting>
5066 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5067 </programlisting>
5068
5069 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5070
5071 <programlisting>
5072 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5073 </programlisting>
5074
5075 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5076 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5077 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5078 What is more, this rule does not need to be in the same
5079 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5080 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5081 have an original definition available to specialise).
5082 </para>
5083
5084 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5085 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5086 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5087
5088 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5089 specialisation will Win Big:
5090
5091 <programlisting>
5092 toDouble :: Real a => a -> Double
5093 toDouble = fromRational . toRational
5094
5095 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5096 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5097 </programlisting>
5098
5099 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5100 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5101 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5102 comparison.
5103 </para>
5104
5105 </sect2>
5106
5107 <sect2>
5108 <title>Controlling what's going on</title>
5109
5110 <para>
5111
5112 <itemizedlist>
5113 <listitem>
5114
5115 <para>
5116  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5117 </para>
5118 </listitem>
5119 <listitem>
5120
5121 <para>
5122  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5123 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5124 </para>
5125 </listitem>
5126 <listitem>
5127
5128 <para>
5129  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5130
5131 <programlisting>
5132         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5133         {-# INLINE build #-}
5134         build g = g (:) []
5135 </programlisting>
5136
5137 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5138 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5139 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5140 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5141
5142 </para>
5143 </listitem>
5144 <listitem>
5145
5146 <para>
5147  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5148 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5149 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5150 </para>
5151 </listitem>
5152
5153 </itemizedlist>
5154
5155 </para>
5156
5157 </sect2>
5158
5159 <sect2 id="core-pragma">
5160   <title>CORE pragma</title>
5161
5162   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5163   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5164   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5165
5166 <para>
5167   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5168   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5169   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5170   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5171   literal as an argument.  The following function definition shows an
5172   example:
5173
5174 <programlisting>
5175 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5176 </programlisting>
5177
5178   Semantically, this is equivalent to:
5179
5180 <programlisting>
5181 g x = show x
5182 </programlisting>
5183 </para>
5184
5185 <para>
5186   However, when external for is generated (via
5187   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5188   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5189   The core function declaration for <function>f</function> is:
5190 </para>
5191
5192 <programlisting>
5193   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5194                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5195     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5196         (%note "foo"
5197          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5198            {GHCziShow.ZCDShow
5199             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5200                    a ->
5201                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5202 r)
5203             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5204             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5205                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5206 r) ->
5207               tpl2})
5208         (%note "foo"
5209          eta);
5210 </programlisting>
5211
5212 <para>
5213   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5214   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5215   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5216   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5217   <varname>x</varname>).
5218 </para>
5219
5220 </sect2>
5221
5222 </sect1>
5223
5224 <sect1 id="generic-classes">
5225 <title>Generic classes</title>
5226
5227     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5228     GHC 5.02).</para>
5229
5230 <para>
5231 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5232 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5233 An example will give the idea:
5234 </para>
5235
5236 <programlisting>
5237   import Generics
5238
5239   class Bin a where
5240     toBin   :: a -> [Int]
5241     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5242   
5243     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5244     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5245     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5246     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5247   
5248     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5249     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5250     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5251     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5252                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5253 </programlisting>
5254 <para>
5255 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5256 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5257 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5258 </para>
5259 <programlisting>
5260   data Unit    = Unit
5261   data a :+: b = Inl a | Inr b
5262   data a :*: b = a :*: b
5263 </programlisting>
5264 <para>
5265 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5266 <programlisting>
5267   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5268   instance Bin a => Bin [a]
5269 </programlisting>
5270 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5271 where clause and over-ride whichever methods you please.
5272 </para>
5273
5274     <sect2>
5275       <title> Using generics </title>
5276       <para>To use generics you need to</para>
5277       <itemizedlist>
5278         <listitem>
5279           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5280                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5281                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5282                 available.  </para>
5283         </listitem>
5284         <listitem>
5285           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5286           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5287           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5288           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5289           don't need this import if you don't mention these types
5290           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5291           declarations.)</para>
5292         </listitem>
5293       </itemizedlist>
5294     </sect2>
5295
5296 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5297 <para>
5298 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5299 can be written infix (indeed, you can now use
5300 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5301 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5302 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5303 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5304 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5305 anticipate wanting).
5306 </para>
5307 </sect2>
5308
5309 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5310 <para>
5311 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5312 is one that is defined using type patterns as above.
5313 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5314 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5315 generic default method.
5316 </para>
5317
5318 <para>
5319 Restrictions:
5320 <itemizedlist>
5321 <listitem>
5322 <para>
5323 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5324 field labels.
5325 </para>
5326 </listitem>
5327
5328 <listitem>
5329 <para>
5330 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5331 multi-parameter class.
5332 </para>
5333 </listitem>
5334
5335 <listitem>
5336 <para>
5337 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5338 without.  So this is illegal:
5339 <programlisting>
5340   class Foo a where
5341     op :: a -> (a, Bool)
5342     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5343     op x               = (x,    False)
5344 </programlisting>
5345 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5346 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5347 </para>
5348 </listitem>
5349
5350 <listitem>
5351 <para>
5352 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5353 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:
5354 <programlisting>
5355   class Foo a where
5356     op :: a -> Bool
5357     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5358     ...
5359 </programlisting>
5360 </para>
5361 </listitem>
5362
5363 <listitem>
5364 <para>
5365 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5366 <programlisting>
5367        a :+: b
5368        a :*: b
5369        Unit
5370 </programlisting>
5371 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5372 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5373 must use the same type variables.  So this is illegal:
5374 <programlisting>
5375   class Foo a where
5376     op :: a -> Bool
5377     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5378     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5379 </programlisting>
5380 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5381 So this too is illegal:
5382 <programlisting>
5383   class Foo a where
5384     op1 :: a -> Bool
5385     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5386
5387     op2 :: a -> Bool
5388     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5389 </programlisting>
5390 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5391 into a single generic instance declaration.)
5392 </para>
5393 </listitem>
5394
5395 <listitem>
5396 <para>
5397 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5398 </para>
5399 </listitem>
5400
5401 <listitem>
5402 <para>
5403 The type for a generic method can be built only from:
5404   <itemizedlist>
5405   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5406   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5407   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5408   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5409   </itemizedlist>
5410 Here are some example type signatures for generic methods:
5411 <programlisting>
5412     op1 :: a -> Bool
5413     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5414     op3 :: [Int] -> a -> a
5415     op4 :: [a] -> Bool
5416 </programlisting>
5417 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5418 inside a list.  
5419 </para>
5420 <para>
5421 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5422 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5423 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5424 to the ones that are allowed.</para>
5425 </listitem>
5426
5427 <listitem>
5428 <para>
5429 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5430 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5431 do so if
5432   <itemizedlist>
5433   <listitem>
5434   <para>
5435   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5436   </para>
5437   </listitem>
5438   <listitem>
5439   <para>
5440   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5441   </para>
5442   </listitem>
5443   </itemizedlist>
5444 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5445 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5446 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5447 </para>
5448 </listitem>
5449
5450 </itemizedlist>
5451 </para>
5452
5453 <para>
5454 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5455 what the compiler does with generic declarations.
5456 </para>
5457
5458 </sect2>
5459
5460 <sect2> <title> Another example </title>
5461 <para>
5462 Just to finish with, here's another example I rather like:
5463 <programlisting>
5464   class Tag a where
5465     nCons :: a -> Int
5466     nCons {| Unit |}    _ = 1
5467     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5468     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5469   
5470     tag :: a -> Int
5471     tag {| Unit |}    _       = 1
5472     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5473     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5474     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5475 </programlisting>
5476 </para>
5477 </sect2>
5478 </sect1>
5479
5480
5481
5482 <!-- Emacs stuff:
5483      ;;; Local Variables: ***
5484      ;;; mode: xml ***
5485      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5486      ;;; End: ***
5487  -->
5488