[project @ 2005-02-23 13:46:43 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:</para>
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>Integer and fractional literals mean
833                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
834                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
835                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
836                 patterns. </para>
837                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
838                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
839               </listitem>
840
841               <listitem>
842                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
843                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
844                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
845               </listitem>
846
847               <listitem>
848                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
849                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
850                 but the necessary subtraction uses whatever
851                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
852                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
853               </listitem>
854
855               <listitem>
856           <para>"Do" notation is translated using whatever
857               functions <literal>(>>=)</literal>,
858               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
859               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
860               versions).  List comprehensions, and parallel array
861               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
862
863               <listitem>
864                 <para>Similarly recursive do notation (see
865                 <xref linkend="mdo-notation"/>) uses whatever
866                 <literal>mfix</literal> function is in scope, and arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope.</para>
872               </listitem>
873             </itemizedlist>
874
875              <para>The functions with these names that GHC finds in scope
876              must have types matching those of the originals, namely:
877              <screen>
878                 fromInteger  :: Integer  -> N
879                 fromRational :: Rational -> N
880                 negate       :: N -> N
881                 (-)          :: N -> N -> N
882                 (>>=)        :: forall a b. M a -> (a -> M b) -> M b
883                 (>>)         :: forall a b. M a -> M b -> M b
884                 return       :: forall a.   a      -> M a
885                 fail         :: forall a.   String -> M a
886              </screen>
887              (Here <literal>N</literal> may be any type,
888              and <literal>M</literal> any type constructor.)</para>
889
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors and classes</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors and classes to be operators, and to be written infix, very much 
932 like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   Back-quotes work
959   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
960   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
961   </para></listitem>
962 <listitem><para>
963   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
964   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
965   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
966 <screen>
967   infixl 7 T, :*:
968 </screen>
969   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
970   and similarly for <literal>:*:</literal>.
971   <literal>Int `a` Bool</literal>.
972   </para></listitem>
973 <listitem><para>
974   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
975   </para></listitem>
976 <listitem><para>
977   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
978   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
979   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
980   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
981   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
982   lists.  So for now we just exclude them.
983   </para></listitem>
984
985 </itemizedlist>
986 </para>
987 </sect3>
988
989 <sect3 id="type-synonyms">
990 <title>Liberalised type synonyms</title>
991
992 <para>
993 Type synonyms are like macros at the type level, and
994 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
995 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
996 <itemizedlist>
997 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
998 in a type synonym, thus:
999 <programlisting>
1000   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1001
1002   f :: Discard a
1003   f x y = (x, show y)
1004
1005   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1006   g f = f Int True
1007 </programlisting>
1008 </para>
1009 </listitem>
1010
1011 <listitem><para>
1012 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1013 <programlisting>
1014   type Pr = (# Int, Int #)
1015
1016   h :: Int -> Pr
1017   h x = (# x, x #)
1018 </programlisting>
1019 </para></listitem>
1020
1021 <listitem><para>
1022 You can apply a type synonym to a forall type:
1023 <programlisting>
1024   type Foo a = a -> a -> Bool
1025  
1026   f :: Foo (forall b. b->b)
1027 </programlisting>
1028 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1029 <programlisting>
1030   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1031 </programlisting>
1032 </para></listitem>
1033
1034 <listitem><para>
1035 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1036 <programlisting>
1037   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1038   type Id x = x
1039   
1040   foo :: Generic Id []
1041 </programlisting>
1042 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1043 <programlisting>
1044   foo :: forall x. x -> [x]
1045 </programlisting>
1046 </para></listitem>
1047
1048 </itemizedlist>
1049 </para>
1050
1051 <para>
1052 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1053 could be changed.)
1054 </para>
1055 <para>
1056 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1057 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1058 <itemizedlist>
1059 <listitem><para>
1060 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1061 </para></listitem>
1062 <listitem><para>
1063 Unboxed tuple on left of an arrow.
1064 </para></listitem>
1065 <listitem><para>
1066 Partially-applied type synonym.
1067 </para></listitem>
1068 </itemizedlist>
1069 So, for example,
1070 this will be rejected:
1071 <programlisting>
1072   type Pr = (# Int, Int #)
1073
1074   h :: Pr -> Int
1075   h x = ...
1076 </programlisting>
1077 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1078 </para>
1079 </sect3>
1080
1081
1082 <sect3 id="existential-quantification">
1083 <title>Existentially quantified data constructors
1084 </title>
1085
1086 <para>
1087 The idea of using existential quantification in data type declarations
1088 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1089 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1090 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1091 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1092 </para>
1093
1094 <para>
1095
1096 <programlisting>
1097   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1098            | Nil
1099 </programlisting>
1100
1101 </para>
1102
1103 <para>
1104 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1105 </para>
1106
1107 <para>
1108
1109 <programlisting>
1110   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1111   Nil   :: Foo
1112 </programlisting>
1113
1114 </para>
1115
1116 <para>
1117 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1118 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1119 For example, the following expression is fine:
1120 </para>
1121
1122 <para>
1123
1124 <programlisting>
1125   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1126 </programlisting>
1127
1128 </para>
1129
1130 <para>
1131 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1132 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1133 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1134 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1135 </para>
1136
1137 <para>
1138 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1139 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1140 </para>
1141
1142 <para>
1143
1144 <programlisting>
1145   f (MkFoo val fn) = ???
1146 </programlisting>
1147
1148 </para>
1149
1150 <para>
1151 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1152 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1153 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1154 </para>
1155
1156 <para>
1157
1158 <programlisting>
1159   f :: Foo -> Bool
1160   f (MkFoo val fn) = fn val
1161 </programlisting>
1162
1163 </para>
1164
1165 <para>
1166 What this allows us to do is to package heterogenous values
1167 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1168 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1169 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1170 </para>
1171
1172 <sect4 id="existential">
1173 <title>Why existential?
1174 </title>
1175
1176 <para>
1177 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1178 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182
1183 <programlisting>
1184   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1185 </programlisting>
1186
1187 </para>
1188
1189 <para>
1190 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1191 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1192 adding a new existential quantification construct.
1193 </para>
1194
1195 </sect4>
1196
1197 <sect4>
1198 <title>Type classes</title>
1199
1200 <para>
1201 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1202 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1203 </para>
1204
1205 <para>
1206
1207 <programlisting>
1208 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1209          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1210 </programlisting>
1211
1212 </para>
1213
1214 <para>
1215 The two constructors have the types you'd expect:
1216 </para>
1217
1218 <para>
1219
1220 <programlisting>
1221 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1222 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1223 </programlisting>
1224
1225 </para>
1226
1227 <para>
1228 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1229 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1230 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1231 So this program is legal:
1232 </para>
1233
1234 <para>
1235
1236 <programlisting>
1237   f :: Baz -> String
1238   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1239                | otherwise = "No"
1240   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1241 </programlisting>
1242
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1247 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1248 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1249 extract it on pattern matching.
1250 </para>
1251
1252 <para>
1253 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1254 universal quantification earlier.
1255 </para>
1256
1257 </sect4>
1258
1259 <sect4>
1260 <title>Restrictions</title>
1261
1262 <para>
1263 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1264 constructors can be use.
1265 </para>
1266
1267 <para>
1268
1269 <itemizedlist>
1270 <listitem>
1271
1272 <para>
1273  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1274 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1275 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1276 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1277
1278
1279 <programlisting>
1280 f1 (MkFoo a f) = a
1281 </programlisting>
1282
1283
1284 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1285 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1286 ask what type <function>f1</function> has:
1287
1288
1289 <programlisting>
1290   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1291 </programlisting>
1292
1293
1294 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1295 this:
1296
1297
1298 <programlisting>
1299   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1300 </programlisting>
1301
1302
1303 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1304
1305
1306 <programlisting>
1307   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1308 </programlisting>
1309
1310
1311 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1312 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1313 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1314
1315
1316 </para>
1317 </listitem>
1318 <listitem>
1319
1320 <para>
1321 You can't pattern-match on an existentially quantified
1322 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1323 bindings. So this is illegal:
1324
1325
1326 <programlisting>
1327   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1328 </programlisting>
1329
1330 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1331
1332 <programlisting>
1333   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1334 </programlisting>
1335
1336 In general, you can only pattern-match
1337 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1338 in the patterns of a function definition.
1339
1340 The reason for this restriction is really an implementation one.
1341 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1342 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1343 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1344 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1345 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1346 annoying it is.
1347
1348 </para>
1349 </listitem>
1350 <listitem>
1351
1352 <para>
1353 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1354 declarations.  So this is illegal:
1355
1356
1357 <programlisting>
1358   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1359 </programlisting>
1360
1361
1362 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1363 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1364 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1365 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1366 You can get just the same efficiency and effect by using
1367 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1368 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1369 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1370 because the <literal>data</literal> version does carry an
1371 implementation cost, but single-field existentially quantified
1372 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1373 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1374 are convincing reasons to change it.
1375
1376
1377 </para>
1378 </listitem>
1379 <listitem>
1380
1381 <para>
1382  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1383 data type with existentially quantified data constructors.
1384
1385 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1386
1387 <programlisting>
1388 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1389 </programlisting>
1390
1391 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1392 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1393
1394 <programlisting>
1395 instance Eq T where
1396   (MkT a) == (MkT b) = ???
1397 </programlisting>
1398
1399 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1400 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1401 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1402 declarations.  Define your own instances!
1403 </para>
1404 </listitem>
1405
1406 </itemizedlist>
1407
1408 </para>
1409
1410 </sect4>
1411 </sect3>
1412
1413 </sect2>
1414
1415
1416
1417 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1418 <title>Class declarations</title>
1419
1420 <para>
1421 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1422 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1423 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1424 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1425 Jones, Erik Meijer).
1426 </para>
1427 <para>
1428 There are the following constraints on class declarations:
1429 <orderedlist>
1430 <listitem>
1431
1432 <para>
1433  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1434
1435
1436 <programlisting>
1437   class Collection c a where
1438     union :: c a -> c a -> c a
1439     ...etc.
1440 </programlisting>
1441
1442
1443
1444 </para>
1445 </listitem>
1446 <listitem>
1447
1448 <para>
1449  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1450 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1451 this is OK:
1452
1453
1454 <programlisting>
1455   class C a where {
1456     op :: D b => a -> b -> b
1457   }
1458
1459   class C a => D a where { ... }
1460 </programlisting>
1461
1462
1463 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1464 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1465 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1466
1467 </para>
1468 </listitem>
1469 <listitem>
1470
1471 <para>
1472  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1473 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1474 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1475
1476
1477 <programlisting>
1478   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1479     ...
1480
1481   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1482     lift :: m a -> (t m) a
1483 </programlisting>
1484
1485
1486 </para>
1487 </listitem>
1488
1489 <listitem>
1490
1491 <para>
1492  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1493 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1494 from the free variables of each method type
1495 </emphasis>.  For example:
1496
1497
1498 <programlisting>
1499   class Coll s a where
1500     empty  :: s
1501     insert :: s -> a -> s
1502 </programlisting>
1503
1504
1505 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1506 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1507 types, and has the same motivation.
1508
1509 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1510 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1511
1512
1513 <programlisting>
1514   class Coll s a where
1515     empty  :: s a
1516     insert :: s a -> a -> s a
1517 </programlisting>
1518
1519
1520 which makes the connection between the type of a collection of
1521 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1522 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1523 class like this:
1524
1525
1526 <programlisting>
1527   class CollE s where
1528     empty  :: s
1529
1530   class CollE s => Coll s a where
1531     insert :: s -> a -> s
1532 </programlisting>
1533
1534
1535 </para>
1536 </listitem>
1537
1538 </orderedlist>
1539 </para>
1540
1541 <sect3 id="class-method-types">
1542 <title>Class method types</title>
1543 <para>
1544 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1545 class type variable, thus:
1546 <programlisting>
1547   class Seq s a where
1548     fromList :: [a] -> s a
1549     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1550 </programlisting>
1551 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1552 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1553 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1554 </para>
1555 <para>
1556 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1557 </para>
1558
1559 </sect3>
1560
1561 </sect2>
1562
1563 <sect2 id="type-restrictions">
1564 <title>Type signatures</title>
1565
1566 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1567 <para>
1568 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1569 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1570 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1571 these type signatures are perfectly OK
1572 <programlisting>
1573   g :: Eq [a] => ...
1574   g :: Ord (T a ()) => ...
1575 </programlisting>
1576 </para>
1577 <para>
1578 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1579 Consider the type:
1580
1581 <programlisting>
1582   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1583 </programlisting>
1584
1585 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1586 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1587 explicit source-language type signature are universally quantified,
1588 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1589 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1590 </para>
1591
1592 <para>
1593
1594 <orderedlist>
1595 <listitem>
1596
1597 <para>
1598  <emphasis>Each universally quantified type variable
1599 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1600
1601 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1602 in the same constraint as either a type variable free in in
1603 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1604 A value with a type that does not obey 
1605 this reachability restriction cannot be used without introducing
1606 ambiguity; that is why the type is rejected.
1607 Here, for example, is an illegal type:
1608
1609
1610 <programlisting>
1611   forall a. Eq a => Int
1612 </programlisting>
1613
1614
1615 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1616 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1617 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1618 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1619 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1620 get any more information about <literal>tv</literal>.
1621 </para>
1622 <para>
1623 Note
1624 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1625 functionally dependent on a type variable free in
1626 <literal>type</literal> (see <xref
1627 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1628 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1629 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1630 For example, consider:
1631 <programlisting>
1632   class C a b | a -> b where ...
1633   class C a b => D a b where ...
1634   f :: forall a b. D a b => a -> a
1635 </programlisting>
1636 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1637 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1638 </para>
1639 </listitem>
1640 <listitem>
1641
1642 <para>
1643  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1644 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1645
1646 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1647 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1648
1649
1650 <programlisting>
1651   forall a. C a b => burble
1652 </programlisting>
1653
1654
1655 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1656 mention <literal>a</literal>:
1657
1658
1659 <programlisting>
1660   forall a. Eq b => burble
1661 </programlisting>
1662
1663
1664 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1665 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1666 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1667 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1668 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1669 territory free in case we need it later.
1670
1671 </para>
1672 </listitem>
1673
1674 </orderedlist>
1675
1676 </para>
1677 </sect3>
1678
1679 <sect3 id="hoist">
1680 <title>For-all hoisting</title>
1681 <para>
1682 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1683 end of an arrow, thus:
1684 <programlisting>
1685   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1686
1687   g :: Int -> Discard Int
1688   g x y z = x+y
1689 </programlisting>
1690 Simply expanding the type synonym would give
1691 <programlisting>
1692   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1693 </programlisting>
1694 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1695 <programlisting>
1696   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1697 </programlisting>
1698 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1699 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1700 performs the transformation:</emphasis>
1701 <programlisting>
1702   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1703 ==>
1704   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1705 </programlisting>
1706 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1707 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1708 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1709 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1710 <programlisting>
1711   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1712 </programlisting>
1713 </para>
1714 <para>
1715 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1716 example:
1717 <programlisting>
1718   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1719   g :: Foo (Foo Int)
1720 </programlisting>
1721 means
1722 <programlisting>
1723   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1724 </programlisting>
1725 </para>
1726 </sect3>
1727
1728
1729 </sect2>
1730
1731 <sect2 id="instance-decls">
1732 <title>Instance declarations</title>
1733
1734 <sect3>
1735 <title>Overlapping instances</title>
1736 <para>
1737 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1738 declaration
1739 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1740 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1741 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1742 </primary></indexterm> 
1743 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1744 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1745 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1746 <para>
1747 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1748 it tries to match every instance declaration against the
1749 constraint,
1750 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1751 these declarations:
1752 <programlisting>
1753   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1754   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1755   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1756   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1757 </programlisting>
1758 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1759 no account of the context of the instance declaration
1760 (<literal>context1</literal> etc).
1761 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1762 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1763 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1764 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1765 particular constraint matches more than one.
1766 </para>
1767
1768 <para>
1769 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1770 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1771 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1772 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1773 most-specific match, the program is rejected.
1774 </para>
1775 <para>
1776 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1777 <programlisting>
1778   f :: [b] -> [b]
1779   f x = ...
1780 </programlisting>
1781 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1782 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1783 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1784 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1785 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1786 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1787 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1788 the problem of subsequent instantiations.
1789 </para>
1790 </sect3>
1791
1792 <sect3>
1793 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1794
1795 <para>
1796 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1797 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1798 As always, using a type synonym is just shorthand for
1799 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1800
1801
1802 <programlisting>
1803   type Point = (Int,Int)
1804   instance C Point   where ...
1805   instance C [Point] where ...
1806 </programlisting>
1807
1808
1809 is legal.  However, if you added
1810
1811
1812 <programlisting>
1813   instance C (Int,Int) where ...
1814 </programlisting>
1815
1816
1817 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1818 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1819 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1820
1821
1822 <programlisting>
1823   type P a = [[a]]
1824   instance Monad P where ...
1825 </programlisting>
1826
1827
1828 This design decision is independent of all the others, and easily
1829 reversed, but it makes sense to me.
1830
1831 </para>
1832 </sect3>
1833
1834 <sect3 id="undecidable-instances">
1835 <title>Undecidable instances</title>
1836
1837 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1838 <orderedlist>
1839 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1840 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1841 For example, these are OK:
1842
1843 <programlisting>
1844   instance C Int a where ...
1845
1846   instance D (Int, Int) where ...
1847
1848   instance E [[a]] where ...
1849 </programlisting>
1850 but this is not:
1851 <programlisting>
1852   instance F a where ...
1853 </programlisting>
1854 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1855 For example, this is OK:
1856 <programlisting>
1857   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1858 </programlisting>
1859 </para>
1860 </listitem>
1861
1862
1863 <listitem>
1864 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1865 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1866 Thus
1867 <programlisting>
1868 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1869 </programlisting>
1870 is OK, but
1871 <programlisting>
1872 instance C Int b => Foo b where ...
1873 </programlisting>
1874 is not OK.
1875 </para>
1876 </listitem>
1877 </orderedlist>
1878 These restrictions ensure that 
1879 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1880 constructor.  For example, the following would make the type checker
1881 loop if it wasn't excluded:
1882 <programlisting>
1883   instance C a => C a where ...
1884 </programlisting>
1885 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1886 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1887 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1888 something more specific does not:
1889
1890
1891 <programlisting>
1892   instance C a where
1893     op = ... -- Default
1894 </programlisting>
1895
1896
1897 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1898 effect of a "class synonym":
1899
1900
1901 <programlisting>
1902   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1903
1904   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1905 </programlisting>
1906
1907
1908 This allows you to write shorter signatures:
1909
1910
1911 <programlisting>
1912   f :: C a => ...
1913 </programlisting>
1914
1915
1916 instead of
1917
1918
1919 <programlisting>
1920   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1921 </programlisting>
1922
1923
1924 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1925 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1926 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1927 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1928 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1929 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1930 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1931 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1932 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1933 </para>
1934 <para>
1935 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1936 allowing these idioms interesting idioms.  
1937 </para>
1938 </sect3>
1939
1940
1941 </sect2>
1942
1943 <sect2 id="implicit-parameters">
1944 <title>Implicit parameters</title>
1945
1946 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
1947 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1948 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1949 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1950 Boston, Jan 2000.
1951 </para>
1952
1953 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1954 due to Jeff Lewis.)</para>
1955
1956 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1957 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1958
1959 <para>
1960 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1961 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1962 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1963 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1964 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1965 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1966 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1967 only support static scoping of variables.
1968 </para>
1969 <para>
1970 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1971 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1972 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1973 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1974 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1975 of type <literal>t'</literal>". For
1976 example, the following expresses the type of a sort function,
1977 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1978 <programlisting>
1979   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1980 </programlisting>
1981 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1982 </para>
1983 <para>
1984 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1985 where <literal>x</literal> is
1986 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1987 Use of this construct also introduces a new
1988 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1989 For example, the following definition
1990 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1991 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1992 <programlisting>
1993   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1994
1995   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1996   sort    = sortBy ?cmp
1997 </programlisting>
1998 </para>
1999
2000 <sect3>
2001 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2002 <para>
2003 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2004 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2005 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2006 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2007 to pick out the least value in a list:
2008 <programlisting>
2009   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2010   least xs = fst (sort xs)
2011 </programlisting>
2012 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2013 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2014 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2015 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2016 propagate them.
2017 </para>
2018 <para>
2019 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2020 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2021 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2022 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2023 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2024 class constraints.
2025 </para>
2026
2027 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2028 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2029 <programlisting>
2030   class (?x::Int) => C a where ...
2031   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2032 </programlisting>
2033 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2034 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2035 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2036 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2037 <para>
2038 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2039 <programlisting>
2040    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2041    f n = n + length ?x
2042
2043    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2044    g s = show (read s)
2045 </programlisting>
2046 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2047 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2048 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2049 </para>
2050 </sect3>
2051
2052 <sect3>
2053 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2054
2055 <para>
2056 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2057 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2058 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2059 <literal>cmp</literal>.
2060 <programlisting>
2061   min :: [a] -> a
2062   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2063 </programlisting>
2064 </para>
2065 <para>
2066 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2067 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2068 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2069 or a <literal>where</literal> clause.
2070 Note the following points:
2071 <itemizedlist>
2072 <listitem><para>
2073 An implicit-parameter binding group must be a
2074 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2075 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2076 neither polymorphic or recursive.  
2077 </para></listitem>
2078 <listitem><para>
2079 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2080 single <literal>let</literal>
2081 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2082 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2083 </para></listitem>
2084
2085 <listitem><para>
2086 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2087 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2088 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2089 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2090 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2091 the meaning of the program.
2092 For example, consider:
2093 <programlisting>
2094   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2095 </programlisting>
2096 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2097 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2098 <programlisting>
2099   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2100 </programlisting>
2101 </para></listitem>
2102 </itemizedlist>
2103 </para>
2104
2105 </sect3>
2106 </sect2>
2107
2108 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2109 <title>Linear implicit parameters</title>
2110 <para>
2111 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2112 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2113 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2114 </para>
2115 <itemizedlist>
2116 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2117 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2118 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2119 </itemizedlist>
2120
2121 <para>
2122 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2123 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2124 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2125 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2126 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2127 </para>
2128 <para>
2129 For example:
2130 <programlisting>
2131     import GHC.Exts( Splittable )
2132
2133     data NameSupply = ...
2134     
2135     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2136     newName :: NameSupply -> Name
2137
2138     instance Splittable NameSupply where
2139         split = splitNS
2140
2141
2142     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2143     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2144                     where
2145                       x'   = newName %ns
2146                       env' = extend env x x'
2147     ...more equations for f...
2148 </programlisting>
2149 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2150 <itemizedlist>
2151 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2152 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2153 </itemizedlist>
2154 </para>
2155 <para>
2156 So the translation done by the type checker makes
2157 the parameter explicit:
2158 <programlisting>
2159     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2160     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2161                        where
2162                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2163                          x' = newName ns2
2164                          env = extend env x x'
2165 </programlisting>
2166 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2167 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2168 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2169 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2170 <programlisting>
2171         class Splittable a where
2172           split :: a -> (a,a)
2173 </programlisting>
2174 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2175 split for name supplies.  But we can simply write
2176 <programlisting>
2177         g x = (x, %ns, %ns)
2178 </programlisting>
2179 and GHC will infer
2180 <programlisting>
2181         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2182 </programlisting>
2183 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2184 <literal>GHC.Exts</literal>.
2185 </para>
2186 <para>
2187 Other points:
2188 <itemizedlist>
2189 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2190 are entirely distinct implicit parameters: you 
2191   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2192 </listitem>
2193
2194 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2195
2196 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2197   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2198 </itemizedlist>
2199 </para>
2200
2201 <sect3><title>Warnings</title>
2202
2203 <para>
2204 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2205 Consider the example above:
2206 <programlisting>
2207     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2208     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2209                     where
2210                       x'   = newName %ns
2211                       env' = extend env x x'
2212 </programlisting>
2213 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2214 usually a harmless thing to do, we get:
2215 <programlisting>
2216     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2217     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2218                     where
2219                       env' = extend env x (newName %ns)
2220 </programlisting>
2221 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2222 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2223 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2224 the beta rule.
2225 </para>
2226 <para>
2227 Well, this is an experimental change.  With implicit
2228 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2229 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2230 Haskell programs without knowing their typing.
2231 </para>
2232
2233 </sect3>
2234
2235 <sect3><title>Recursive functions</title>
2236 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2237 Consider
2238 <programlisting>
2239         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2240         foo 0 = []
2241         foo n = %x : foo (n-1)
2242 </programlisting>
2243 where T is some type in class Splittable.</para>
2244 <para>
2245 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2246 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2247 </para><para>
2248 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2249 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2250 translated term, where the implicit param is made explicit:
2251 <programlisting>
2252         foo x 0 = []
2253         foo x n = let (x1,x2) = split x
2254                   in x1 : foo x2 (n-1)
2255 </programlisting>
2256 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2257 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2258 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2259 work.  So the translation becomes
2260 <programlisting>
2261         foo x = let
2262                   foom 0 = []
2263                   foom n = x : foom (n-1)
2264                 in
2265                 foom
2266 </programlisting>
2267 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2268 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2269 Yikes!
2270 </para><para>
2271 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2272 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2273 </para>
2274 </sect3>
2275
2276 </sect2>
2277
2278 <sect2 id="functional-dependencies">
2279 <title>Functional dependencies
2280 </title>
2281
2282 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2283 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2284 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2285 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2286 .
2287 </para>
2288 <para>
2289 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2290 class declaration;  e.g. 
2291 <programlisting>
2292   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2293
2294   class Foo a b c | a b -> c where ...
2295 </programlisting>
2296 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2297 </para>
2298 </sect2>
2299
2300
2301
2302 <sect2 id="sec-kinding">
2303 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2304
2305 <para>
2306 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2307 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2308 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2309 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2310 John Hughes had to define the data type:
2311 <screen>
2312      data Set cxt a = Set [a]
2313                     | Unused (cxt a -> ())
2314 </screen>
2315 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2316 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2317 </para>
2318 <para>
2319 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2320 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2321 <itemizedlist>
2322 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2323 <screen>
2324   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2325 </screen></para></listitem>
2326 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2327 <screen>
2328   type T (f :: * -> *) = f Int
2329 </screen></para></listitem>
2330 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2331 <screen>
2332   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2333 </screen></para></listitem>
2334 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2335 <screen>
2336   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2337 </screen></para></listitem>
2338 </itemizedlist>
2339 </para>
2340
2341 <para>
2342 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2343 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2344 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2345 single lexeme in Haskell.
2346 </para>
2347
2348 <para>
2349 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2350 as well.  Thus:
2351 <screen>
2352    f :: (Int :: *) -> Int
2353    g :: forall a. a -> (a :: *)
2354 </screen>
2355 The syntax is
2356 <screen>
2357    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2358 </screen>
2359 The parentheses are required.
2360 </para>
2361 </sect2>
2362
2363
2364 <sect2 id="universal-quantification">
2365 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2366 </title>
2367
2368 <para>
2369 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2370 allows us to say exactly what this means.  For example:
2371 </para>
2372 <para>
2373 <programlisting>
2374         g :: b -> b
2375 </programlisting>
2376 means this:
2377 <programlisting>
2378         g :: forall b. (b -> b)
2379 </programlisting>
2380 The two are treated identically.
2381 </para>
2382
2383 <para>
2384 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2385 explicit universal quantification in
2386 types. 
2387 For example, all the following types are legal:
2388 <programlisting>
2389     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2390     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2391
2392     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2393     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2394
2395     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2396 </programlisting>
2397 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2398 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2399 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2400 is implicitly added by Haskell.
2401 </para>
2402 <para>
2403 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2404 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2405 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2406 </para>
2407 <para>
2408 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2409 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2410 </para>
2411 <para>
2412 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2413 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2414 that restriction has now been lifted.)
2415 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2416 including an operational type class context, is legal:
2417 <itemizedlist>
2418 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2419 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2420 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2421 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2422 field type signatures.</para> </listitem>
2423 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2424 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2425 </itemizedlist>
2426 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2427 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2428 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2429 <programlisting>
2430     x1 :: [forall a. a->a]
2431     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2432     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2433 </programlisting>
2434 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2435 a type variable any more!
2436 </para>
2437
2438
2439 <sect3 id="univ">
2440 <title>Examples
2441 </title>
2442
2443 <para>
2444 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2445 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2446 </para>
2447
2448 <para>
2449
2450 <programlisting>
2451 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2452
2453 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2454                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2455                         }
2456
2457 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2458 </programlisting>
2459
2460 </para>
2461
2462 <para>
2463 The constructors have rank-2 types:
2464 </para>
2465
2466 <para>
2467
2468 <programlisting>
2469 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2470 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2471                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2472                   -> MonadT m
2473 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2474 </programlisting>
2475
2476 </para>
2477
2478 <para>
2479 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2480 explicit context.  For example in the first argument of the
2481 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2482 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2483 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2484 mentioned in the type quantified over.
2485 </para>
2486
2487 <para>
2488 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2489 types too.  So if you write this:
2490
2491 <programlisting>
2492   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2493 </programlisting>
2494
2495 it's just as if you had written this:
2496
2497 <programlisting>
2498   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2499 </programlisting>
2500
2501 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2502 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2503 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2504 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2505 </para>
2506
2507 <para>
2508 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2509 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2510 </para>
2511
2512 <para>
2513
2514 <programlisting>
2515     a1 :: T Int
2516     a1 = T1 (\xy->x) 3
2517     
2518     a2, a3 :: Swizzle
2519     a2 = MkSwizzle sort
2520     a3 = MkSwizzle reverse
2521     
2522     a4 :: MonadT Maybe
2523     a4 = let r x = Just x
2524              b m k = case m of
2525                        Just y -> k y
2526                        Nothing -> Nothing
2527          in
2528          MkMonad r b
2529
2530     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2531     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2532 </programlisting>
2533
2534 </para>
2535
2536 <para>
2537 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2538 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2539 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2540 </para>
2541
2542 <para>
2543 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2544 polymorphic types.  For example:
2545 </para>
2546
2547 <para>
2548
2549 <programlisting>
2550     f :: T a -> a -> (a, Char)
2551     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2552
2553     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2554     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2555
2556     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2557     h m [] = return m []
2558     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2559                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2560                  return m (y:ys)
2561 </programlisting>
2562
2563 </para>
2564
2565 <para>
2566 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2567 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2568 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2569 matching.
2570 </para>
2571 </sect3>
2572
2573 <sect3>
2574 <title>Type inference</title>
2575
2576 <para>
2577 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2578 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2579 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2580 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2581 </para>
2582 <para>
2583 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2584 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2585 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2586 </para>
2587 <para>
2588 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2589 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2590 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2591 <programlisting>
2592      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2593 </programlisting>
2594 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2595 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2596 <programlisting>
2597      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2598 </programlisting>
2599 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2600 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2601 one can give a type signature for the function itself:
2602 <programlisting>
2603      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2604      h f = (f True, f 'c')
2605 </programlisting>
2606 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2607 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2608 <programlisting>
2609     f :: T a -> a -> (a, Char)
2610     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2611 </programlisting>
2612 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2613 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2614 it needs to know.
2615 </para>
2616
2617 </sect3>
2618
2619
2620 <sect3 id="implicit-quant">
2621 <title>Implicit quantification</title>
2622
2623 <para>
2624 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2625 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2626 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2627 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2628 equivalent:
2629 <programlisting>
2630   f :: a -> a
2631   f :: forall a. a -> a
2632
2633   g (x::a) = let
2634                 h :: a -> b -> b
2635                 h x y = y
2636              in ...
2637   g (x::a) = let
2638                 h :: forall b. a -> b -> b
2639                 h x y = y
2640              in ...
2641 </programlisting>
2642 </para>
2643 <para>
2644 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2645 point.  For example:
2646 <programlisting>
2647   f :: (a -> a) -> Int
2648            -- MEANS
2649   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2650            -- NOT
2651   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2652
2653
2654   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2655            -- MEANS the illegal type
2656   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2657            -- NOT
2658   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2659 </programlisting>
2660 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2661 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2662 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2663 for rank-2 types.
2664 </para>
2665 </sect3>
2666 </sect2>
2667
2668
2669
2670
2671 <sect2 id="scoped-type-variables">
2672 <title>Scoped type variables
2673 </title>
2674
2675 <para>
2676 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2677 variable</emphasis>.  For example
2678 </para>
2679
2680 <para>
2681
2682 <programlisting>
2683 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2684            where
2685               ys :: [a]
2686               ys = reverse xs
2687 </programlisting>
2688
2689 </para>
2690
2691 <para>
2692 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2693 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2694 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2695 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2696 </para>
2697
2698 <para>
2699  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2700 type signatures.  The two can be used independently or together.
2701 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2702 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2703 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2704 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2705 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2706 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2707 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2708 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2709 it becomes possible to do so.
2710 </para>
2711
2712 <para>
2713 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2714 implementations differ from the specification below, those differences
2715 are noted.
2716 </para>
2717
2718 <para>
2719 So much for the basic idea.  Here are the details.
2720 </para>
2721
2722 <sect3>
2723 <title>What a pattern type signature means</title>
2724 <para>
2725 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2726 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2727 of the same name mean the same type.  For example:
2728 <programlisting>
2729   f :: [Int] -> Int -> Int
2730   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2731 </programlisting>
2732 The pattern type signatures on the left hand side of
2733 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2734 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2735 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2736 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2737 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2738 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2739 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2740 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2741 For example, all of these are legal:</para>
2742
2743 <programlisting>
2744   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2745
2746   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2747
2748   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2749
2750   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2751         in k x                  -- environment
2752
2753   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2754   k (x::Int) False = ...
2755
2756   w :: [b] -> [b]
2757   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2758 </programlisting>
2759
2760 </sect3>
2761
2762 <sect3>
2763 <title>Scope and implicit quantification</title>
2764
2765 <para>
2766
2767 <itemizedlist>
2768 <listitem>
2769
2770 <para>
2771 All the type variables mentioned in a pattern,
2772 that are not already in scope,
2773 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2774 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2775 For example:
2776 <programlisting>
2777   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2778              in
2779              g (x,True)
2780 </programlisting>
2781 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2782 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2783 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2784 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2785 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2786 </para>
2787 </listitem>
2788
2789 <listitem>
2790 <para>
2791 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2792 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2793 <programlisting>
2794   let
2795     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2796     (p::b, q::b) = (1,2)
2797   in &lt;...body of let...>
2798 </programlisting>
2799 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2800 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2801 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2802 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2803 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2804 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2805 </para>
2806 </listitem>
2807
2808
2809 <listitem>
2810 <para>
2811 The type variables bound by the pattern may be 
2812 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2813 type signatures anywhere within their scope.
2814
2815 </para>
2816 </listitem>
2817
2818 <listitem>
2819 <para>
2820  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2821 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2822
2823 </para>
2824 </listitem>
2825
2826 <listitem>
2827
2828 <para>
2829  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2830 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2831
2832 <programlisting>
2833   f :: a -> a
2834   f x = x::a
2835 </programlisting>
2836
2837 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2838 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2839 and that is an incorrect typing.
2840
2841 </para>
2842 </listitem>
2843
2844 <listitem>
2845 <para>
2846 The pattern type signature is a monotype:
2847 </para>
2848
2849 <itemizedlist>
2850 <listitem> <para> 
2851 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2852 </para> </listitem>
2853
2854 <listitem>  <para> 
2855 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2856 not to type schemes.
2857 </para> </listitem>
2858
2859 <listitem>  <para> 
2860 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2861 ordinary type signatures).
2862 </para> </listitem>
2863
2864 </itemizedlist>
2865
2866 </listitem>
2867
2868 <listitem>
2869 <para>
2870
2871 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2872 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2873
2874
2875 <programlisting>
2876   class C a where
2877     op :: [a] -> a
2878
2879     op xs = let ys::[a]
2880                 ys = reverse xs
2881             in
2882             head ys
2883 </programlisting>
2884
2885
2886 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2887 </para>
2888 </listitem>
2889
2890 </itemizedlist>
2891
2892 </para>
2893
2894 </sect3>
2895
2896 <sect3>
2897 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2898
2899 <para>
2900 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2901 <itemizedlist>
2902
2903 <listitem>
2904 <para>
2905 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2906 just on a variable:
2907
2908
2909 <programlisting>
2910   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2911 </programlisting>
2912
2913
2914 </para>
2915 </listitem>
2916 <listitem>
2917
2918 <para>
2919  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2920 in lambda abstractions:
2921
2922 <programlisting>
2923   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2924 </programlisting>
2925 </para>
2926 </listitem>
2927 <listitem>
2928
2929 <para>
2930  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2931 in <literal>case</literal> expressions:
2932
2933 <programlisting>
2934   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
2935 </programlisting>
2936
2937 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
2938 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
2939 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
2940 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
2941 arrow and give a parse error later.
2942
2943 </para>
2944
2945 </listitem>
2946
2947 <listitem>
2948 <para>
2949 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2950 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2951 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2952 consider how one would parse this:
2953
2954
2955 <programlisting>
2956   \ x :: a -> b -> x
2957 </programlisting>
2958
2959
2960 </para>
2961 </listitem>
2962
2963 <listitem>
2964
2965 <para>
2966  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2967 For example:
2968
2969
2970 <programlisting>
2971   data T = forall a. MkT [a]
2972
2973   f :: T -> T
2974   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2975                  where
2976                    t3::[a] = [t,t,t]
2977 </programlisting>
2978
2979
2980 </para>
2981 </listitem>
2982
2983
2984 <listitem>
2985
2986 <para>
2987 Pattern type signatures 
2988 can be used in pattern bindings:
2989
2990 <programlisting>
2991   f x = let (y, z::a) = x in ...
2992   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2993   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2994   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2995 </programlisting>
2996
2997 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2998 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2999 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3000 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3001 In contrast, the binding
3002 <programlisting>
3003   f4 :: b->b
3004   f4 = \x -> x
3005 </programlisting>
3006 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3007 in <literal>f4</literal>'s scope.
3008
3009 </para>
3010 </listitem>
3011 </itemizedlist>
3012 </para>
3013
3014 </sect3>
3015
3016 <sect3>
3017 <title>Result type signatures</title>
3018
3019 <para>
3020 The result type of a function can be given a signature, thus:
3021
3022
3023 <programlisting>
3024   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3025 </programlisting>
3026
3027
3028 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3029 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3030 you want:
3031
3032
3033 <programlisting>
3034   f :: Int -> [a] -> [a]
3035   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3036                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3037 </programlisting>
3038
3039 </para>
3040 <para>
3041 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3042 of the definition. However, consider this corner-case:
3043 <programlisting>
3044   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3045
3046   foo ys = rev (ys::[a])
3047 </programlisting>
3048 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3049 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3050 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3051 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3052 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3053 </para>
3054 <para>
3055 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3056 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3057 is polymorphic:
3058 <programlisting>
3059   rev1 :: [b] -> [b]
3060   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3061 </programlisting>
3062 </para>
3063
3064 <para>
3065 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3066 </para>
3067
3068 </sect3>
3069
3070 </sect2>
3071
3072 <sect2 id="deriving-typeable">
3073 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3074
3075 <para>
3076 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3077 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3078 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3079 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3080 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3081 </para>
3082 <para>
3083 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3084 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3085 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3086 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3087 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3088 </para>
3089 </sect2>
3090
3091 <sect2 id="newtype-deriving">
3092 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3093
3094 <para>
3095 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3096 the new type to inherit some instances from its representation. In
3097 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3098 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3099 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3100 example, if you define
3101
3102 <programlisting> 
3103   newtype Dollars = Dollars Int 
3104 </programlisting> 
3105
3106 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3107 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3108
3109 <programlisting> 
3110   instance Num Dollars where
3111     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3112     ...
3113 </programlisting>
3114 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3115 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3116 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3117 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3118 dictionary, only slower!
3119 </para>
3120
3121
3122 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3123 <para>
3124 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3125 <programlisting> 
3126   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3127 </programlisting> 
3128
3129 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3130 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3131 derives an instance declaration of the form
3132
3133 <programlisting> 
3134   instance Num Int => Num Dollars
3135 </programlisting> 
3136
3137 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3138 </para>
3139 <para>
3140
3141 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3142 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3143 transformers, such that
3144
3145 <programlisting> 
3146   instance Monad m => Monad (State s m) 
3147   instance Monad m => Monad (Failure m)
3148 </programlisting> 
3149 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3150 <programlisting> 
3151   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3152 </programlisting> 
3153
3154 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3155 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3156 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3157
3158 <programlisting> 
3159   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3160                          deriving Monad
3161 </programlisting>
3162 In this case the derived instance declaration is of the form 
3163 <programlisting> 
3164   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3165 </programlisting> 
3166
3167 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3168 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3169 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3170 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3171 declaration.
3172 </para>
3173 <para>
3174
3175 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3176 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3177 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3178 clause. For example, given the class
3179
3180 <programlisting> 
3181   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3182   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3183 </programlisting> 
3184 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3185 <programlisting> 
3186   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3187                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3188 </programlisting>
3189
3190 The derived instance is obtained by completing the application of the
3191 class to the new type:
3192
3193 <programlisting> 
3194   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3195            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3196 </programlisting>
3197 </para>
3198 <para>
3199
3200 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3201 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3202 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3203 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3204 the newtype and its representation.
3205 </para>
3206 </sect3>
3207
3208 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3209 <para>
3210 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3211 declaration (after expansion of any type synonyms)
3212
3213 <programlisting> 
3214   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3215 </programlisting> 
3216
3217 where 
3218  <itemizedlist>
3219 <listitem><para>
3220   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3221 </para></listitem>
3222 <listitem><para>
3223   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3224 </para></listitem>
3225 <listitem><para>
3226   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3227   the <literal>ti</literal>, and
3228 </para></listitem>
3229 <listitem><para>
3230   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3231   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3232   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3233 </para></listitem>
3234 <listitem><para>
3235   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3236                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3237                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3238                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3239                 via this new mechanism.  
3240 </para></listitem>
3241 </itemizedlist>
3242 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3243 declaration is:
3244 <programlisting> 
3245   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3246 </programlisting>
3247 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3248 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3249 </para>
3250 <para>
3251
3252 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3253 <programlisting> 
3254   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3255 </programlisting> 
3256 Here we cannot derive the instance 
3257 <programlisting> 
3258   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3259 </programlisting> 
3260
3261 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3262 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3263 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3264 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3265 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3266 </para>
3267 <para>
3268
3269 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3270 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3271 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3272
3273 <programlisting> 
3274   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3275 </programlisting>
3276
3277 then we would not have been able to derive an instance for the
3278 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3279 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3280 instances is most interesting.
3281 </para>
3282 </sect3>
3283
3284 </sect2>
3285
3286
3287 </sect1>
3288 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3289   
3290 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3291
3292 <sect1 id="gadt">
3293 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3294
3295 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3296 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3297 <programlisting>
3298   data Term a where
3299       Lit    :: Int -> Term Int
3300       Succ   :: Term Int -> Term Int
3301       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3302       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3303       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3304 </programlisting>
3305 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3306 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3307 for these <literal>Terms</literal>:
3308 <programlisting>
3309   eval :: Term a -> a
3310   eval (Lit i)      = i
3311   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3312   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3313   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3314   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3315 </programlisting>
3316 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3317 </para>
3318 <para> The extensions to GHC are these:
3319 <itemizedlist>
3320 <listitem><para>
3321   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3322 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3323 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3324 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3325 <programlisting>
3326   data Term :: * -> * where ...
3327 </programlisting>
3328 or even a mixture of the two:
3329 <programlisting>
3330   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3331 </programlisting>
3332 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3333 like this:
3334 <programlisting>
3335   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3336 </programlisting>
3337 </para></listitem>
3338
3339 <listitem><para>
3340 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3341 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3342 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3343 </para></listitem>
3344
3345 <listitem><para>
3346 You cannot use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type declaration,
3347 nor can you use record syntax.  (It's not clear what these constructs would mean.  For example,
3348 the record selectors might ill-typed.)  However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3349 in the constructor type:
3350 <programlisting>
3351   data Term a where
3352       Lit    :: !Int -> Term Int
3353       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3354       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3355 </programlisting>
3356 </para></listitem>
3357
3358 <listitem><para>
3359 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3360 <programlisting>
3361   eval :: Term a -> a
3362   eval (Lit i) =  ...
3363 </programlisting>
3364 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3365 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3366 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3367
3368 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3369 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3370 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3371 <programlisting>
3372   eval :: Term a -> a -> a
3373   eval (Lit i) j =  i+j
3374 </programlisting>
3375 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3376 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3377 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3378 </para>
3379 </listitem>
3380 </itemizedlist>
3381 </para>
3382
3383 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3384 <programlisting>
3385   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3386   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T a }
3387 </programlisting>
3388 </para>
3389 </sect1>
3390
3391 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3392
3393 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3394
3395 <sect1 id="template-haskell">
3396 <title>Template Haskell</title>
3397
3398 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3399 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3400 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3401 the background to
3402 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3403 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3404 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3405 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3406 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3407 (search for the type ExpQ).
3408 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3409       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3410 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3411 </para>
3412
3413 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3414 </para>
3415
3416 <para>
3417 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3418 Tim Sheard is going to expand it.)
3419 </para>
3420
3421     <sect2>
3422       <title>Syntax</title>
3423
3424       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3425       constructions.  You need to use the flag
3426       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3427       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3428       (<option>-fth</option> is currently implied by
3429       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3430       specify it explicitly).</para>
3431
3432         <itemizedlist>
3433               <listitem><para>
3434                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3435                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3436                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3437                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3438                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3439                   </para>
3440               <para> A splice can occur in place of 
3441                   <itemizedlist>
3442                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3443                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3444                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3445                     </itemizedlist>
3446            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3447         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3448         as in the paper.)
3449                 </para></listitem>
3450
3451
3452               <listitem><para>
3453                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3454                   <itemizedlist>
3455                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3456                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3457                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3458                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3459                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3460                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3461                   </itemizedlist></para></listitem>
3462
3463               <listitem><para>
3464                   Reification is written thus:
3465                   <itemizedlist>
3466                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3467                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3468                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3469                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3470                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3471                     
3472                   </itemizedlist></para>
3473                 </listitem>
3474
3475                   
3476         </itemizedlist>
3477 </sect2>
3478
3479 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3480 <para>
3481 <itemizedlist>
3482     <listitem><para>
3483     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3484     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3485     </para></listitem>
3486
3487     <listitem><para>
3488     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3489             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3490             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3491    </para></listitem>
3492
3493     <listitem><para>
3494             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3495    </para></listitem>
3496     <listitem><para>
3497             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3498               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3499               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3500               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3501               those of the compiler itself.
3502    </para></listitem>
3503 </itemizedlist>
3504 </para>
3505 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3506         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3507         has been lifted.
3508 </para>
3509 </sect2>
3510  
3511 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3512 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3513   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3514
3515 <programlisting>
3516
3517 {- Main.hs -}
3518 module Main where
3519
3520 -- Import our template "pr"
3521 import Printf ( pr )
3522
3523 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3524 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3525 -- the argument of "putStrLn".
3526 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3527
3528
3529 {- Printf.hs -}
3530 module Printf where
3531
3532 -- Skeletal printf from the paper.
3533 -- It needs to be in a separate module to the one where
3534 -- you intend to use it.
3535
3536 -- Import some Template Haskell syntax
3537 import Language.Haskell.TH
3538
3539 -- Describe a format string
3540 data Format = D | S | L String
3541
3542 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3543 -- as we are here interested in building our first ever
3544 -- Template Haskell program and not in building printf.
3545 parse :: String -> [Format]
3546 parse s   = [ L s ]
3547
3548 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3549 -- of the format string.  This code will be spliced into
3550 -- the module which calls "pr", at compile time.
3551 gen :: [Format] -> ExpQ
3552 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3553 gen [S]   = [| \s -> s |]
3554 gen [L s] = stringE s
3555
3556 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3557 -- from an input format string.
3558 pr :: String -> ExpQ
3559 pr s      = gen (parse s)
3560 </programlisting>
3561
3562 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3563 </para>
3564 <programlisting>
3565 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3566 </programlisting>
3567
3568 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3569
3570 <programlisting>
3571 $ ./main
3572 Hello
3573 </programlisting>
3574
3575 </sect2>
3576  
3577 </sect1>
3578
3579 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3580
3581 <sect1 id="arrow-notation">
3582 <title>Arrow notation
3583 </title>
3584
3585 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3586 For more details, see
3587 <itemizedlist>
3588
3589 <listitem>
3590 <para>
3591 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3592 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3593 pp67&ndash;111, May 2000.
3594 </para>
3595 </listitem>
3596
3597 <listitem>
3598 <para>
3599 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3600 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3601 </para>
3602 </listitem>
3603
3604 <listitem>
3605 <para>
3606 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3607 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3608 Palgrave, 2003.
3609 </para>
3610 </listitem>
3611
3612 </itemizedlist>
3613 and the arrows web page at
3614 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3615 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3616 notation described in the second of these papers.
3617 What follows is a brief introduction to the notation;
3618 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3619 This notation is translated to ordinary Haskell,
3620 using combinators from the
3621 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3622 module.
3623 </para>
3624
3625 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3626 <screen>
3627 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3628        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3629 </screen>
3630 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3631 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3632 <literal>proc</literal>-expression,
3633 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3634 The syntax of commands is as follows:
3635 <screen>
3636 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3637        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3638        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3639 </screen>
3640 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3641 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3642 infix operators as for expressions, and
3643 <screen>
3644 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3645        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3646        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3647        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3648        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3649        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3650
3651 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3652        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3653        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3654
3655 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3656        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3657        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3658        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3659 </screen>
3660 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3661 except that the bodies are commands instead of expressions.
3662 </para>
3663
3664 <para>
3665 Commands produce values, but (like monadic computations)
3666 may yield more than one value,
3667 or none, and may do other things as well.
3668 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3669 using commands.
3670 However the values of expressions, even monadic ones,
3671 are determined by the values of the variables they contain;
3672 this is not necessarily the case for commands.
3673 </para>
3674
3675 <para>
3676 A simple example of the new notation is the expression
3677 <screen>
3678 proc x -> f -&lt; x+1
3679 </screen>
3680 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3681 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3682 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3683 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3684 It refers to the input to the arrow.
3685 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3686 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3687 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3688 (The weird look will make more sense later.)
3689 It may be read as analogue of application for arrows.
3690 The above example is equivalent to the Haskell expression
3691 <screen>
3692 arr (\ x -> x+1) >>> f
3693 </screen>
3694 That would make no sense if the expression to the left of
3695 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3696 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3697 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3698 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3699 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3700 <screen>
3701 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3702 </screen>
3703 which is equivalent to
3704 <screen>
3705 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3706 </screen>
3707 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3708 class.
3709 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3710 you may find a monadic formulation more convenient.
3711 </para>
3712
3713 <sect2>
3714 <title>do-notation for commands</title>
3715
3716 <para>
3717 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3718 For example, you can write
3719 <screen>
3720 proc x -> do
3721         y &lt;- f -&lt; x+1
3722         g -&lt; 2*y
3723         let z = x+y
3724         t &lt;- h -&lt; x*z
3725         returnA -&lt; t+z
3726 </screen>
3727 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3728 but with commands in place of monadic expressions.
3729 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3730 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3731 <literal>y</literal>.
3732 In the next line, the output is discarded.
3733 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3734 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3735 module as <literal>arr id</literal>.
3736 The above example is treated as an abbreviation for
3737 <screen>
3738 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3739         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3740         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3741         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3742         arr snd >>>
3743         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3744         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3745         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3746         returnA
3747 </screen>
3748 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3749 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3750 defined in the
3751 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3752 module, this reduces to
3753 <screen>
3754 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3755         first f >>>
3756         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3757         first g >>>
3758         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3759         first h >>>
3760         arr (\ (t, z) -> t+z)
3761 </screen>
3762 which is what you might have written by hand.
3763 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3764 </para>
3765
3766 <para>
3767 Note that although the above translation suggests that
3768 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3769 monomorphic, the actual translation produces Core,
3770 so polymorphic variables are allowed.
3771 </para>
3772
3773 <para>
3774 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3775 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3776 <programlisting>
3777 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3778 counter = proc reset -> do
3779         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3780                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3781         returnA -&lt; output
3782 </programlisting>
3783 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
3784 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3785 </para>
3786
3787 </sect2>
3788
3789 <sect2>
3790 <title>Conditional commands</title>
3791
3792 <para>
3793 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3794 input for an arrow.
3795 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3796 <screen>
3797 proc (x,y) ->
3798         if f x y
3799         then g -&lt; x+1
3800         else h -&lt; y+2
3801 </screen>
3802 which is translated to
3803 <screen>
3804 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3805         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3806 </screen>
3807 Since the translation uses <function>|||</function>,
3808 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3809 </para>
3810
3811 <para>
3812 There are also <literal>case</literal> commands, like
3813 <screen>
3814 case input of
3815     [] -> f -&lt; ()
3816     [x] -> g -&lt; x+1
3817     x1:x2:xs -> do
3818         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3819         ys &lt;- k -&lt; xs
3820         returnA -&lt; y:ys
3821 </screen>
3822 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3823 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3824 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3825 </para>
3826
3827 </sect2>
3828
3829 <sect2>
3830 <title>Defining your own control structures</title>
3831
3832 <para>
3833 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3834 modelled on those for expressions,
3835 for sequencing, value recursion and conditionals.
3836 But suitable combinators,
3837 which you can define in ordinary Haskell,
3838 may also be used to build new commands out of existing ones.
3839 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3840 These environments assign values to the free local variables of the command.
3841 Thus combinators that produce arrows from arrows
3842 may also be used to build commands from commands.
3843 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3844 <programlisting>
3845 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3846 </programlisting>
3847 so we can use it to build commands:
3848 <programlisting>
3849 expr' = proc x -> do
3850                 returnA -&lt; x
3851         &lt;+> do
3852                 symbol Plus -&lt; ()
3853                 y &lt;- term -&lt; ()
3854                 expr' -&lt; x + y
3855         &lt;+> do
3856                 symbol Minus -&lt; ()
3857                 y &lt;- term -&lt; ()
3858                 expr' -&lt; x - y
3859 </programlisting>
3860 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3861 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3862 expression on the previous line.)
3863 This is equivalent to
3864 <programlisting>
3865 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3866         &lt;+> (proc x -> do
3867                 symbol Plus -&lt; ()
3868                 y &lt;- term -&lt; ()
3869                 expr' -&lt; x + y)
3870         &lt;+> (proc x -> do
3871                 symbol Minus -&lt; ()
3872                 y &lt;- term -&lt; ()
3873                 expr' -&lt; x - y)
3874 </programlisting>
3875 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3876 (representing the environment input to the command
3877 and thence to its subcommands)
3878 and satisfy the corresponding naturality property
3879 <screen>
3880 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3881 </screen>
3882 at least for strict <literal>k</literal>.
3883 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
3884 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3885 of the whole command,
3886 and also allows the translation to safely trim these environments.
3887 The operator must also not use any variable defined within the current
3888 arrow abstraction.
3889 </para>
3890
3891 <para>
3892 We could define our own operator
3893 <programlisting>
3894 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3895 untilA body cond = proc x ->
3896         if cond x then returnA -&lt; ()
3897         else do
3898                 body -&lt; x
3899                 untilA body cond -&lt; x
3900 </programlisting>
3901 and use it in the same way.
3902 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3903 there is also a more general syntax involving special brackets:
3904 <screen>
3905 proc x -> do
3906         y &lt;- f -&lt; x+1
3907         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3908 </screen>
3909 </para>
3910
3911 </sect2>
3912
3913 <sect2>
3914 <title>Primitive constructs</title>
3915
3916 <para>
3917 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3918 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3919 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3920 exception that occurred to the handler.
3921 Such an operator might have a type
3922 <screen>
3923 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3924 </screen>
3925 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3926 You could then use this with arrow notation by writing a command
3927 <screen>
3928 body `handleA` \ ex -> handler
3929 </screen>
3930 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3931 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3932 and the command <literal>handler</literal>,
3933 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3934 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3935 we are talking about commands, and something different is going on.
3936 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3937 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3938 In all the prior examples, this stack was empty.
3939 In the second argument to <function>handleA</function>,
3940 this stack consists of one value, the value of the exception.
3941 The command form of lambda merely gives this value a name.
3942 </para>
3943
3944 <para>
3945 More concretely,
3946 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3947 So operators like <function>handleA</function> that pass
3948 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
3949 by pairing the values with the environment in this way.
3950 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3951 should have the form
3952 <screen>
3953 a (...(e,t1), ... tn) t
3954 </screen>
3955 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3956 (representing the environment)
3957 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3958 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3959 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3960 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3961 <replaceable>t</replaceable>.
3962 However the arrows involved need not be the same.
3963 Here are some more examples of suitable operators:
3964 <screen>
3965 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3966 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3967 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3968 </screen>
3969 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3970 by applying them to ordinary expressions, as in
3971 <screen>
3972 proc x -> do
3973         s &lt;- ...
3974         (|runReader (do { ... })|) s
3975 </screen>
3976 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3977 built using <function>runReader</function>.
3978 </para>
3979
3980 <para>
3981 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3982 the expression versions.
3983 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3984 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3985 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3986 though the results would be somewhat clumsy.
3987 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3988 <programlisting>
3989 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3990 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
3991
3992 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3993 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3994 </programlisting>
3995 We could simulate <literal>if</literal> by defining
3996 <programlisting>
3997 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3998 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3999 </programlisting>
4000 </para>
4001
4002 </sect2>
4003
4004 <sect2>
4005 <title>Differences with the paper</title>
4006
4007 <itemizedlist>
4008
4009 <listitem>
4010 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4011 translations, the implementation provides two forms
4012 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4013 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4014 </para>
4015 </listitem>
4016
4017 <listitem>
4018 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4019 a new <literal>form</literal> keyword.
4020 </para>
4021 </listitem>
4022
4023 </itemizedlist>
4024
4025 </sect2>
4026
4027 <sect2>
4028 <title>Portability</title>
4029
4030 <para>
4031 Although only GHC implements arrow notation directly,
4032 there is also a preprocessor
4033 (available from the 
4034 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4035 that translates arrow notation into Haskell 98
4036 for use with other Haskell systems.
4037 You would still want to check arrow programs with GHC;
4038 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4039 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4040 additional restrictions:
4041 <itemizedlist>
4042
4043 <listitem>
4044 <para>
4045 The module must import
4046 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4047 </para>
4048 </listitem>
4049
4050 <listitem>
4051 <para>
4052 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4053 These would have to go in separate modules.
4054 </para>
4055 </listitem>
4056
4057 <listitem>
4058 <para>
4059 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4060 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4061 </para>
4062 </listitem>
4063
4064 </itemizedlist>
4065 </para>
4066
4067 </sect2>
4068
4069 </sect1>
4070
4071 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4072
4073 <sect1 id="sec-assertions">
4074 <title>Assertions
4075 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4076 </title>
4077
4078 <para>
4079 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4080 could define a function like the following:
4081 </para>
4082
4083 <para>
4084
4085 <programlisting>
4086 assert :: Bool -> a -> a
4087 assert False x = error "assertion failed!"
4088 assert _     x = x
4089 </programlisting>
4090
4091 </para>
4092
4093 <para>
4094 which works, but gives you back a less than useful error message --
4095 an assertion failed, but which and where?
4096 </para>
4097
4098 <para>
4099 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4100 takes a descriptive string to include in the error message and
4101 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4102 the source location where <function>assert</function> was used.
4103 </para>
4104
4105 <para>
4106 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4107 use of <function>assert</function> in the user's source:
4108 </para>
4109
4110 <para>
4111
4112 <programlisting>
4113 kelvinToC :: Double -> Double
4114 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4115 </programlisting>
4116
4117 </para>
4118
4119 <para>
4120 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4121 assertion was made,
4122 </para>
4123
4124 <para>
4125
4126 <programlisting>
4127 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4128 </programlisting>
4129
4130 </para>
4131
4132 <para>
4133 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4134 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4135 can still define and use your own versions of
4136 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4137 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4138 <function>assert</function> in your code.
4139 </para>
4140
4141 <para>
4142 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4143 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4144 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4145 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4146 <literal>e</literal>.
4147 </para>
4148
4149 <para>
4150 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4151 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4152 </para>
4153
4154 </sect1>
4155
4156
4157 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4158
4159   <sect1 id="pragmas">
4160     <title>Pragmas</title>
4161
4162     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4163
4164     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4165     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4166     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4167     of the generated code.</para>
4168
4169     <para>Pragmas all take the form
4170
4171 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4172
4173     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4174     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4175     type of pragma.  Case is ignored in
4176     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4177     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4178     in the following sections; any pragma encountered with an
4179     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4180     ignored.</para>
4181
4182     <sect2 id="deprecated-pragma">
4183       <title>DEPRECATED pragma</title>
4184       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4185       </indexterm>
4186
4187       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4188       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4189       forms.
4190
4191       <itemizedlist>
4192         <listitem>
4193           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4194 <programlisting>
4195    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4196      ...
4197 </programlisting>
4198           <para>When you compile any module that import
4199           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4200           message.</para>
4201         </listitem>
4202
4203         <listitem>
4204           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4205           following top-level declaration:</para>
4206 <programlisting>
4207    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4208 </programlisting>
4209           <para>When you compile any module that imports and uses any
4210           of the specified entities, GHC will print the specified
4211           message.</para>
4212         </listitem>
4213       </itemizedlist>
4214       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4215       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4216       deprecations are not reported for
4217       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4218       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4219       The latter reduces spurious complaints within a library
4220       in which one module gathers together and re-exports 
4221       the exports of several others.
4222       </para>
4223       <para>You can suppress the warnings with the flag
4224       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4225     </sect2>
4226
4227     <sect2 id="include-pragma">
4228       <title>INCLUDE pragma</title>
4229
4230       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4231         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4232         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4233         compiling via C).  For example:</para>
4234
4235 <programlisting>
4236 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4237 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4238
4239       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4240         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4241         pragma(s).</para>
4242
4243       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4244         to the <option>-#include</option> option (<xref
4245           linkend="options-C-compiler" />), because the
4246         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4247         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4248         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4249         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4250     </sect2>
4251
4252     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4253       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4254
4255       <para>These pragmas control the inlining of function
4256       definitions.</para>
4257
4258       <sect3 id="inline-pragma">
4259         <title>INLINE pragma</title>
4260         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4261
4262         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4263         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4264         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4265         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4266         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4267         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4268         export that unfolding for other modules to use.</para>
4269
4270         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4271         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4272         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4273
4274 <programlisting>
4275 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4276
4277 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4278 {-# INLINE key_function #-}
4279 #endif
4280 </programlisting>
4281
4282         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4283         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4284         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4285
4286         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4287         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4288         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4289         inline it.</para>
4290
4291         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4292         function can be put anywhere its type signature could be
4293         put.</para>
4294
4295         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4296         good idea for the
4297         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4298         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4299         a monad.  For example, in GHC's own
4300         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4301
4302 <programlisting>
4303 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4304 {-# INLINE thenUs #-}
4305 {-# INLINE returnUs #-}
4306 #endif
4307 </programlisting>
4308
4309         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4310         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4311       </sect3>
4312
4313       <sect3 id="noinline-pragma">
4314         <title>NOINLINE pragma</title>
4315         
4316         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4317         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4318
4319         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4320         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4321         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4322         you're very cautious about code size.</para>
4323
4324         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4325         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4326         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4327         inlining, so it should be used if you want your code to be
4328         portable).</para>
4329       </sect3>
4330
4331       <sect3 id="phase-control">
4332         <title>Phase control</title>
4333
4334         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4335         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4336         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4337         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4338         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4339         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4340         sequence of phase numbers for successive runs of the
4341         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4342         phase number, thus:</para>
4343
4344         <itemizedlist>
4345           <listitem>
4346             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4347             and all subsequent phases":
4348 <programlisting>
4349   {-# INLINE [2] f #-}
4350 </programlisting>
4351             </para>
4352           </listitem>
4353
4354           <listitem>
4355             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4356             phases up to, but not including, Phase 3":
4357 <programlisting>
4358   {-# INLINE [~3] g #-}
4359 </programlisting>
4360             </para>
4361           </listitem>
4362
4363           <listitem>
4364             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4365             all phases".</para>
4366           </listitem>
4367         </itemizedlist>
4368
4369         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4370
4371         <itemizedlist>
4372           <listitem>
4373             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4374             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4375             there was no pragma at all":
4376 <programlisting>
4377   {-# NOINLINE [2] f #-}
4378 </programlisting>
4379             </para>
4380           </listitem>
4381
4382           <listitem>
4383             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4384             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4385             there was no pragma":
4386 <programlisting>
4387   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4388 </programlisting>
4389             </para>
4390           </listitem>
4391
4392           <listitem>
4393             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4394             inline this function".</para>
4395           </listitem>
4396         </itemizedlist>
4397
4398         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4399         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4400       </sect3>
4401     </sect2>
4402
4403     <sect2 id="line-pragma">
4404       <title>LINE pragma</title>
4405
4406       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4407       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4408       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4409       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4410       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4411       original code; for example</para>
4412
4413 <programlisting>
4414 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4415 </programlisting>
4416
4417       <para>if you'd generated the current file from something called
4418       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4419       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4420       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4421       pragma.</para>
4422     </sect2>
4423
4424     <sect2 id="options-pragma">
4425       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4426       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4427       </indexterm>
4428       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4429       </indexterm>
4430
4431       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4432       additional options that are given to the compiler when compiling
4433       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4434       details.</para>
4435
4436       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4437         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4438     </sect2>
4439
4440     <sect2 id="rules">
4441       <title>RULES pragma</title>
4442
4443       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4444       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4445     </sect2>
4446
4447     <sect2 id="specialize-pragma">
4448       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4449
4450       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4451       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4452       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4453
4454       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4455       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4456       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4457       overloaded function:</para>
4458
4459 <programlisting>
4460 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4461 </programlisting>
4462
4463       <para>If it is heavily used on lists with
4464       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4465       follows:</para>
4466
4467 <programlisting>
4468 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4469 </programlisting>
4470
4471       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4472       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4473
4474       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4475       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4476       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4477       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4478
4479       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4480       specialised function for a given type:
4481
4482 <programlisting>
4483 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4484 </programlisting>
4485
4486       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4487       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4488
4489     </sect2>
4490
4491 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4492 <title>SPECIALIZE instance pragma
4493 </title>
4494
4495 <para>
4496 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4497 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4498 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4499
4500 <programlisting>
4501 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4502    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4503    ... usual stuff ...
4504  }
4505 </programlisting>
4506 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4507 of the instance declaration.
4508 </para>
4509 <para>
4510 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4511 of the pragma.
4512 </para>
4513
4514 </sect2>
4515
4516     <sect2 id="unpack-pragma">
4517       <title>UNPACK pragma</title>
4518
4519       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4520       
4521       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4522       that it should unpack the contents of a constructor field into
4523       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4524       example:</para>
4525
4526 <programlisting>
4527 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4528            {-# UNPACK #-} !Float
4529 </programlisting>
4530
4531       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4532       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4533       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4534       floats passed to a non-strict function for example, they will
4535       have to be reboxed (this is done automatically by the
4536       compiler).</para>
4537
4538       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4539       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4540       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4541       often as possible.  For example:</para>
4542
4543 <programlisting>
4544 f :: T -&#62; Float
4545 f (T f1 f2) = f1 + f2
4546 </programlisting>
4547
4548       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4549       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4550       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4551
4552       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4553       example</para>
4554
4555 <programlisting>
4556 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4557 </programlisting>
4558
4559       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4560       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4561       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4562
4563 <programlisting>
4564 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4565 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4566 </programlisting>
4567
4568       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4569       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4570       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4571
4572       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4573       so it might be an idea to check the generated code with
4574       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4575
4576       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4577       which essentially has the effect of adding
4578       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4579       constructor field.</para>
4580     </sect2>
4581
4582 </sect1>
4583
4584 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4585
4586 <sect1 id="rewrite-rules">
4587 <title>Rewrite rules
4588
4589 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4590 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4591 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4592
4593 <para>
4594 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4595 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4596 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4597 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4598 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4599 </para>
4600
4601 <para>
4602 Here is an example:
4603
4604 <programlisting>
4605   {-# RULES
4606         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4607   #-}
4608 </programlisting>
4609
4610 </para>
4611
4612 <sect2>
4613 <title>Syntax</title>
4614
4615 <para>
4616 From a syntactic point of view:
4617
4618 <itemizedlist>
4619 <listitem>
4620
4621 <para>
4622  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4623 </para>
4624 </listitem>
4625
4626 <listitem>
4627
4628 <para>
4629  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4630 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4631 </para>
4632 </listitem>
4633
4634 <listitem>
4635 <para>
4636 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4637 immediately after the name of the rule.  Thus:
4638 <programlisting>
4639   {-# RULES
4640         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4641   #-}
4642 </programlisting>
4643 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4644 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4645 Phase 2.
4646 </para>
4647 </listitem>
4648
4649
4650 <listitem>
4651
4652 <para>
4653  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4654 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4655 enclosing definitions.
4656 </para>
4657 </listitem>
4658
4659 <listitem>
4660
4661 <para>
4662  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4663 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4664 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4665 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4666 </para>
4667 </listitem>
4668 <listitem>
4669
4670 <para>
4671  A pattern variable may optionally have a type signature.
4672 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4673 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4674
4675 <programlisting>
4676 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4677               foldr k z (build g) = g k z
4678 </programlisting>
4679
4680 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4681
4682 </para>
4683 </listitem>
4684 <listitem>
4685
4686 <para>
4687 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4688 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4689
4690 <programlisting>
4691 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4692 "wrong2"   forall f.      f True = True
4693 </programlisting>
4694
4695 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4696 in the head.
4697 </para>
4698 </listitem>
4699 <listitem>
4700
4701 <para>
4702  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4703 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4704 </para>
4705 </listitem>
4706 <listitem>
4707
4708 <para>
4709  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4710 </para>
4711 </listitem>
4712
4713 </itemizedlist>
4714
4715 </para>
4716
4717 </sect2>
4718
4719 <sect2>
4720 <title>Semantics</title>
4721
4722 <para>
4723 From a semantic point of view:
4724
4725 <itemizedlist>
4726 <listitem>
4727
4728 <para>
4729 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4730 </para>
4731 </listitem>
4732
4733 <listitem>
4734 <para>
4735  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4736 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4737 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4738 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4739 expression by substituting for the pattern variables.
4740
4741 </para>
4742 </listitem>
4743 <listitem>
4744
4745 <para>
4746  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4747 same type.
4748
4749 </para>
4750 </listitem>
4751 <listitem>
4752
4753 <para>
4754  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4755 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
4756 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4757
4758 </para>
4759 </listitem>
4760 <listitem>
4761
4762 <para>
4763  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4764 terminating.  For example:
4765
4766 <programlisting>
4767   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4768 </programlisting>
4769
4770 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4771
4772 </para>
4773 </listitem>
4774 <listitem>
4775
4776 <para>
4777  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4778
4779 </para>
4780 </listitem>
4781 <listitem>
4782 <para>
4783  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4784 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4785 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4786 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4787 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
4788 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4789 </para>
4790
4791 <para>
4792 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4793 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4794 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4795 </para>
4796 </listitem>
4797 <listitem>
4798
4799 <para>
4800  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4801 For example, consider:
4802
4803 <programlisting>
4804   let s = map f
4805       t = map g
4806   in
4807   s (t xs)
4808 </programlisting>
4809
4810 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4811 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4812 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4813 not be substituted, and the rule would not fire.
4814
4815 </para>
4816 </listitem>
4817 <listitem>
4818
4819 <para>
4820  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4821 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4822 for something you can't match against it (given the simple minded
4823 matching).  So if you write the rule
4824
4825 <programlisting>
4826         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4827 </programlisting>
4828
4829 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4830 It will only match something written with explicit use of ".".
4831 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4832
4833 <programlisting>
4834 wibble f g xs
4835 </programlisting>
4836
4837 where <function>wibble</function> is defined:
4838
4839 <programlisting>
4840 wibble f g = map f . map g
4841 </programlisting>
4842
4843 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4844
4845 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4846 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4847 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4848
4849 </para>
4850 </listitem>
4851 <listitem>
4852
4853 <para>
4854  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4855 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4856 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4857 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4858 declarations.
4859 </para>
4860 </listitem>
4861
4862 </itemizedlist>
4863
4864 </para>
4865
4866 </sect2>
4867
4868 <sect2>
4869 <title>List fusion</title>
4870
4871 <para>
4872 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4873 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4874 intermediate list should be eliminated entirely.
4875 </para>
4876
4877 <para>
4878 The following are good producers:
4879
4880 <itemizedlist>
4881 <listitem>
4882
4883 <para>
4884  List comprehensions
4885 </para>
4886 </listitem>
4887 <listitem>
4888
4889 <para>
4890  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4891 </para>
4892 </listitem>
4893 <listitem>
4894
4895 <para>
4896  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4897 </para>
4898 </listitem>
4899 <listitem>
4900
4901 <para>
4902  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4903 </para>
4904 </listitem>
4905 <listitem>
4906
4907 <para>
4908  <function>++</function>
4909 </para>
4910 </listitem>
4911
4912 <listitem>
4913 <para>
4914  <function>map</function>
4915 </para>
4916 </listitem>
4917
4918 <listitem>
4919 <para>
4920  <function>filter</function>
4921 </para>
4922 </listitem>
4923 <listitem>
4924
4925 <para>
4926  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4927 </para>
4928 </listitem>
4929 <listitem>
4930
4931 <para>
4932  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4933 </para>
4934 </listitem>
4935
4936 </itemizedlist>
4937
4938 </para>
4939
4940 <para>
4941 The following are good consumers:
4942
4943 <itemizedlist>
4944 <listitem>
4945
4946 <para>
4947  List comprehensions
4948 </para>
4949 </listitem>
4950 <listitem>
4951
4952 <para>
4953  <function>array</function> (on its second argument)
4954 </para>
4955 </listitem>
4956 <listitem>
4957
4958 <para>
4959  <function>length</function>
4960 </para>
4961 </listitem>
4962 <listitem>
4963
4964 <para>
4965  <function>++</function> (on its first argument)
4966 </para>
4967 </listitem>
4968
4969 <listitem>
4970 <para>
4971  <function>foldr</function>
4972 </para>
4973 </listitem>
4974
4975 <listitem>
4976 <para>
4977  <function>map</function>
4978 </para>
4979 </listitem>
4980 <listitem>
4981
4982 <para>
4983  <function>filter</function>
4984 </para>
4985 </listitem>
4986 <listitem>
4987
4988 <para>
4989  <function>concat</function>
4990 </para>
4991 </listitem>
4992 <listitem>
4993
4994 <para>
4995  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4996 </para>
4997 </listitem>
4998 <listitem>
4999
5000 <para>
5001  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5002 will fuse with one but not the other)
5003 </para>
5004 </listitem>
5005 <listitem>
5006
5007 <para>
5008  <function>partition</function>
5009 </para>
5010 </listitem>
5011 <listitem>
5012
5013 <para>
5014  <function>head</function>
5015 </para>
5016 </listitem>
5017 <listitem>
5018
5019 <para>
5020  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5021 </para>
5022 </listitem>
5023 <listitem>
5024
5025 <para>
5026  <function>sequence&lowbar;</function>
5027 </para>
5028 </listitem>
5029 <listitem>
5030
5031 <para>
5032  <function>msum</function>
5033 </para>
5034 </listitem>
5035 <listitem>
5036
5037 <para>
5038  <function>sortBy</function>
5039 </para>
5040 </listitem>
5041
5042 </itemizedlist>
5043
5044 </para>
5045
5046  <para>
5047 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5048
5049 <programlisting>
5050 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5051 </programlisting>
5052
5053 </para>
5054
5055 <para>
5056 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5057 a lot which are not included, please tell us.
5058 </para>
5059
5060 <para>
5061 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5062 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5063 </para>
5064
5065 </sect2>
5066
5067 <sect2 id="rule-spec">
5068 <title>Specialisation
5069 </title>
5070
5071 <para>
5072 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5073 present in earlier versions of GHC.
5074 For example, suppose that:
5075
5076 <programlisting>
5077 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5078 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5079 </programlisting>
5080
5081 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5082 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5083 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5084 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5085 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5086 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5087 It used to be possible to write
5088
5089 <programlisting>
5090 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5091 </programlisting>
5092
5093 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5094
5095 <programlisting>
5096 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5097 </programlisting>
5098
5099 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5100 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5101 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5102 What is more, this rule does not need to be in the same
5103 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5104 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5105 have an original definition available to specialise).
5106 </para>
5107
5108 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5109 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5110 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5111
5112 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5113 specialisation will Win Big:
5114
5115 <programlisting>
5116 toDouble :: Real a => a -> Double
5117 toDouble = fromRational . toRational
5118
5119 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5120 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5121 </programlisting>
5122
5123 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5124 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5125 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5126 comparison.
5127 </para>
5128
5129 </sect2>
5130
5131 <sect2>
5132 <title>Controlling what's going on</title>
5133
5134 <para>
5135
5136 <itemizedlist>
5137 <listitem>
5138
5139 <para>
5140  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5141 </para>
5142 </listitem>
5143 <listitem>
5144
5145 <para>
5146  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5147 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5148 </para>
5149 </listitem>
5150 <listitem>
5151
5152 <para>
5153  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5154
5155 <programlisting>
5156         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5157         {-# INLINE build #-}
5158         build g = g (:) []
5159 </programlisting>
5160
5161 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5162 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5163 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5164 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5165
5166 </para>
5167 </listitem>
5168 <listitem>
5169
5170 <para>
5171  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5172 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5173 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5174 </para>
5175 </listitem>
5176
5177 </itemizedlist>
5178
5179 </para>
5180
5181 </sect2>
5182
5183 <sect2 id="core-pragma">
5184   <title>CORE pragma</title>
5185
5186   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5187   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5188   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5189
5190 <para>
5191   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5192   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5193   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5194   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5195   literal as an argument.  The following function definition shows an
5196   example:
5197
5198 <programlisting>
5199 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5200 </programlisting>
5201
5202   Semantically, this is equivalent to:
5203
5204 <programlisting>
5205 g x = show x
5206 </programlisting>
5207 </para>
5208
5209 <para>
5210   However, when external for is generated (via
5211   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5212   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5213   The core function declaration for <function>f</function> is:
5214 </para>
5215
5216 <programlisting>
5217   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5218                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5219     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5220         (%note "foo"
5221          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5222            {GHCziShow.ZCDShow
5223             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5224                    a ->
5225                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5226 r)
5227             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5228             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5229                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5230 r) ->
5231               tpl2})
5232         (%note "foo"
5233          eta);
5234 </programlisting>
5235
5236 <para>
5237   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5238   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5239   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5240   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5241   <varname>x</varname>).
5242 </para>
5243
5244 </sect2>
5245
5246 </sect1>
5247
5248 <sect1 id="generic-classes">
5249 <title>Generic classes</title>
5250
5251     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5252     GHC 5.02).</para>
5253
5254 <para>
5255 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5256 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5257 An example will give the idea:
5258 </para>
5259
5260 <programlisting>
5261   import Generics
5262
5263   class Bin a where
5264     toBin   :: a -> [Int]
5265     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5266   
5267     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5268     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5269     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5270     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5271   
5272     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5273     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5274     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5275     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5276                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5277 </programlisting>
5278 <para>
5279 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5280 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5281 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5282 </para>
5283 <programlisting>
5284   data Unit    = Unit
5285   data a :+: b = Inl a | Inr b
5286   data a :*: b = a :*: b
5287 </programlisting>
5288 <para>
5289 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5290 <programlisting>
5291   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5292   instance Bin a => Bin [a]
5293 </programlisting>
5294 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5295 where clause and over-ride whichever methods you please.
5296 </para>
5297
5298     <sect2>
5299       <title> Using generics </title>
5300       <para>To use generics you need to</para>
5301       <itemizedlist>
5302         <listitem>
5303           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5304                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5305                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5306                 available.  </para>
5307         </listitem>
5308         <listitem>
5309           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5310           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5311           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5312           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5313           don't need this import if you don't mention these types
5314           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5315           declarations.)</para>
5316         </listitem>
5317       </itemizedlist>
5318     </sect2>
5319
5320 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5321 <para>
5322 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5323 can be written infix (indeed, you can now use
5324 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5325 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5326 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5327 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5328 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5329 anticipate wanting).
5330 </para>
5331 </sect2>
5332
5333 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5334 <para>
5335 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5336 is one that is defined using type patterns as above.
5337 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5338 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5339 generic default method.
5340 </para>
5341
5342 <para>
5343 Restrictions:
5344 <itemizedlist>
5345 <listitem>
5346 <para>
5347 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5348 field labels.
5349 </para>
5350 </listitem>
5351
5352 <listitem>
5353 <para>
5354 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5355 multi-parameter class.
5356 </para>
5357 </listitem>
5358
5359 <listitem>
5360 <para>
5361 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5362 without.  So this is illegal:
5363 <programlisting>
5364   class Foo a where
5365     op :: a -> (a, Bool)
5366     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5367     op x               = (x,    False)
5368 </programlisting>
5369 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5370 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5371 </para>
5372 </listitem>
5373
5374 <listitem>
5375 <para>
5376 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5377 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:
5378 <programlisting>
5379   class Foo a where
5380     op :: a -> Bool
5381     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5382     ...
5383 </programlisting>
5384 </para>
5385 </listitem>
5386
5387 <listitem>
5388 <para>
5389 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5390 <programlisting>
5391        a :+: b
5392        a :*: b
5393        Unit
5394 </programlisting>
5395 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5396 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5397 must use the same type variables.  So this is illegal:
5398 <programlisting>
5399   class Foo a where
5400     op :: a -> Bool
5401     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5402     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5403 </programlisting>
5404 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5405 So this too is illegal:
5406 <programlisting>
5407   class Foo a where
5408     op1 :: a -> Bool
5409     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5410
5411     op2 :: a -> Bool
5412     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5413 </programlisting>
5414 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5415 into a single generic instance declaration.)
5416 </para>
5417 </listitem>
5418
5419 <listitem>
5420 <para>
5421 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5422 </para>
5423 </listitem>
5424
5425 <listitem>
5426 <para>
5427 The type for a generic method can be built only from:
5428   <itemizedlist>
5429   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5430   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5431   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5432   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5433   </itemizedlist>
5434 Here are some example type signatures for generic methods:
5435 <programlisting>
5436     op1 :: a -> Bool
5437     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5438     op3 :: [Int] -> a -> a
5439     op4 :: [a] -> Bool
5440 </programlisting>
5441 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5442 inside a list.  
5443 </para>
5444 <para>
5445 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5446 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5447 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5448 to the ones that are allowed.</para>
5449 </listitem>
5450
5451 <listitem>
5452 <para>
5453 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5454 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5455 do so if
5456   <itemizedlist>
5457   <listitem>
5458   <para>
5459   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5460   </para>
5461   </listitem>
5462   <listitem>
5463   <para>
5464   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5465   </para>
5466   </listitem>
5467   </itemizedlist>
5468 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5469 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5470 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5471 </para>
5472 </listitem>
5473
5474 </itemizedlist>
5475 </para>
5476
5477 <para>
5478 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5479 what the compiler does with generic declarations.
5480 </para>
5481
5482 </sect2>
5483
5484 <sect2> <title> Another example </title>
5485 <para>
5486 Just to finish with, here's another example I rather like:
5487 <programlisting>
5488   class Tag a where
5489     nCons :: a -> Int
5490     nCons {| Unit |}    _ = 1
5491     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5492     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5493   
5494     tag :: a -> Int
5495     tag {| Unit |}    _       = 1
5496     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5497     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5498     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5499 </programlisting>
5500 </para>
5501 </sect2>
5502 </sect1>
5503
5504
5505
5506 <!-- Emacs stuff:
5507      ;;; Local Variables: ***
5508      ;;; mode: xml ***
5509      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5510      ;;; End: ***
5511  -->
5512