a5ac2b3b9784bcfd64cef599324e65690ced9ebb
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
833                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
834                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
835 </para> </listitem>         
836
837       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
838           except that the translation is 
839               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
840 </para> </listitem>         
841
842           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
843               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
844 </para> </listitem>         
845
846           <listitem><para>The subtraction operation, and the
847           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
848               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
849               </para></listitem>
850
851               <listitem>
852                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
853                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
854                 patterns, and expressions.
855               </para></listitem>
856
857               <listitem>
858           <para>"Do" notation is translated using whatever
859               functions <literal>(>>=)</literal>,
860               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
861               are in scope (not the Prelude
862               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
863               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
864
865               <listitem>
866                 <para>Arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
872                 other constructs, the types of these functions must match the
873                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
874                 to use this, ask!
875               </para></listitem>
876             </itemizedlist>
877 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
878 even if that is a little unexpected. For emample, the 
879 static semantics of the literal <literal>368</literal>
880 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
881 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
882 <programlisting>
883 fromInteger :: Integer -> Integer
884 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
885 fromInteger :: Num a => a -> Integer
886 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
887 </programlisting>
888 </para>
889                 
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
932 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
959   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
960   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
961   parenthesised.  For example:
962 <programlisting>
963    type T (+) = Int + Int
964    f :: T Either
965    f = Left 3
966  
967    liftA2 :: Arrow (~>)
968           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
969    liftA2 = ...
970 </programlisting>
971   </para></listitem>
972 <listitem><para>
973   Back-quotes work
974   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
975   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
976   </para></listitem>
977 <listitem><para>
978   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
979   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
980   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
981 <screen>
982   infixl 7 T, :*:
983 </screen>
984   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
985   and similarly for <literal>:*:</literal>.
986   <literal>Int `a` Bool</literal>.
987   </para></listitem>
988 <listitem><para>
989   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
990   </para></listitem>
991
992 </itemizedlist>
993 </para>
994 </sect3>
995
996 <sect3 id="type-synonyms">
997 <title>Liberalised type synonyms</title>
998
999 <para>
1000 Type synonyms are like macros at the type level, and
1001 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1002 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1005 in a type synonym, thus:
1006 <programlisting>
1007   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1008
1009   f :: Discard a
1010   f x y = (x, show y)
1011
1012   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1013   g f = f Int True
1014 </programlisting>
1015 </para>
1016 </listitem>
1017
1018 <listitem><para>
1019 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1020 <programlisting>
1021   type Pr = (# Int, Int #)
1022
1023   h :: Int -> Pr
1024   h x = (# x, x #)
1025 </programlisting>
1026 </para></listitem>
1027
1028 <listitem><para>
1029 You can apply a type synonym to a forall type:
1030 <programlisting>
1031   type Foo a = a -> a -> Bool
1032  
1033   f :: Foo (forall b. b->b)
1034 </programlisting>
1035 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1036 <programlisting>
1037   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1038 </programlisting>
1039 </para></listitem>
1040
1041 <listitem><para>
1042 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1043 <programlisting>
1044   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1045   type Id x = x
1046   
1047   foo :: Generic Id []
1048 </programlisting>
1049 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1050 <programlisting>
1051   foo :: forall x. x -> [x]
1052 </programlisting>
1053 </para></listitem>
1054
1055 </itemizedlist>
1056 </para>
1057
1058 <para>
1059 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1060 could be changed.)
1061 </para>
1062 <para>
1063 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1064 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1065 <itemizedlist>
1066 <listitem><para>
1067 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1068 </para></listitem>
1069 <listitem><para>
1070 Unboxed tuple on left of an arrow.
1071 </para></listitem>
1072 <listitem><para>
1073 Partially-applied type synonym.
1074 </para></listitem>
1075 </itemizedlist>
1076 So, for example,
1077 this will be rejected:
1078 <programlisting>
1079   type Pr = (# Int, Int #)
1080
1081   h :: Pr -> Int
1082   h x = ...
1083 </programlisting>
1084 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1085 </para>
1086 </sect3>
1087
1088
1089 <sect3 id="existential-quantification">
1090 <title>Existentially quantified data constructors
1091 </title>
1092
1093 <para>
1094 The idea of using existential quantification in data type declarations
1095 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1096 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1097 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1098 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1099 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1100 It's been in Lennart
1101 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1102 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1103 </para>
1104
1105 <para>
1106
1107 <programlisting>
1108   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1109            | Nil
1110 </programlisting>
1111
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1116 </para>
1117
1118 <para>
1119
1120 <programlisting>
1121   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1122   Nil   :: Foo
1123 </programlisting>
1124
1125 </para>
1126
1127 <para>
1128 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1129 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1130 For example, the following expression is fine:
1131 </para>
1132
1133 <para>
1134
1135 <programlisting>
1136   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1137 </programlisting>
1138
1139 </para>
1140
1141 <para>
1142 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1143 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1144 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1145 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1150 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154
1155 <programlisting>
1156   f (MkFoo val fn) = ???
1157 </programlisting>
1158
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1163 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1164 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1165 </para>
1166
1167 <para>
1168
1169 <programlisting>
1170   f :: Foo -> Bool
1171   f (MkFoo val fn) = fn val
1172 </programlisting>
1173
1174 </para>
1175
1176 <para>
1177 What this allows us to do is to package heterogenous values
1178 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1179 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1180 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1181 </para>
1182
1183 <sect4 id="existential">
1184 <title>Why existential?
1185 </title>
1186
1187 <para>
1188 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1189 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193
1194 <programlisting>
1195   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1196 </programlisting>
1197
1198 </para>
1199
1200 <para>
1201 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1202 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1203 adding a new existential quantification construct.
1204 </para>
1205
1206 </sect4>
1207
1208 <sect4>
1209 <title>Type classes</title>
1210
1211 <para>
1212 An easy extension is to allow
1213 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1214 </para>
1215
1216 <para>
1217
1218 <programlisting>
1219 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1220          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1221 </programlisting>
1222
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226 The two constructors have the types you'd expect:
1227 </para>
1228
1229 <para>
1230
1231 <programlisting>
1232 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1233 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1234 </programlisting>
1235
1236 </para>
1237
1238 <para>
1239 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1240 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1241 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1242 So this program is legal:
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246
1247 <programlisting>
1248   f :: Baz -> String
1249   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1250                | otherwise = "No"
1251   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1252 </programlisting>
1253
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1258 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1259 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1260 extract it on pattern matching.
1261 </para>
1262
1263 <para>
1264 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1265 universal quantification earlier.
1266 </para>
1267
1268 </sect4>
1269
1270 <sect4>
1271 <title>Record Constructors</title>
1272
1273 <para>
1274 GHC allows existentials to be used with records syntax as well.  For example:
1275
1276 <programlisting>
1277 data Counter a = forall self. NewCounter
1278     { _this    :: self
1279     , _inc     :: self -> self
1280     , _display :: self -> IO ()
1281     , tag      :: a
1282     }
1283 </programlisting>
1284 Here <literal>tag</literal> is a public field, with a well-typed selector
1285 function <literal>tag :: Counter a -> a</literal>.  The <literal>self</literal>
1286 type is hidden from the outside; any attempt to apply <literal>_this</literal>,
1287 <literal>_inc</literal> or <literal>_output</literal> as functions will raise a
1288 compile-time error.  In other words, <emphasis>GHC defines a record selector function
1289 only for fields whose type does not mention the existentially-quantified variables</emphasis>.
1290 (This example used an underscore in the fields for which record selectors
1291 will not be defined, but that is only programming style; GHC ignores them.)
1292 </para>
1293
1294 <para>
1295 To make use of these hidden fields, we need to create some helper functions:
1296
1297 <programlisting>
1298 inc :: Counter a -> Counter a
1299 inc (NewCounter x i d t) = NewCounter
1300     { _this = i x, _inc = i, _display = d, tag = t } 
1301
1302 display :: Counter a -> IO ()
1303 display NewCounter{ _this = x, _display = d } = d x
1304 </programlisting>
1305
1306 Now we can define counters with different underlying implementations:
1307
1308 <programlisting>
1309 counterA :: Counter String 
1310 counterA = NewCounter
1311     { _this = 0, _inc = (1+), _display = print, tag = "A" }
1312
1313 counterB :: Counter String 
1314 counterB = NewCounter
1315     { _this = "", _inc = ('#':), _display = putStrLn, tag = "B" }
1316
1317 main = do
1318     display (inc counterA)         -- prints "1"
1319     display (inc (inc counterB))   -- prints "##"
1320 </programlisting>
1321
1322 In GADT declarations (see <xref linkend="gadt"/>), the explicit
1323 <literal>forall</literal> may be omitted.  For example, we can express
1324 the same <literal>Counter a</literal> using GADT:
1325
1326 <programlisting>
1327 data Counter a where
1328     NewCounter { _this    :: self
1329                , _inc     :: self -> self
1330                , _display :: self -> IO ()
1331                , tag      :: a
1332                }
1333         :: Counter a
1334 </programlisting>
1335
1336 At the moment, record update syntax is only supported for Haskell 98 data types,
1337 so the following function does <emphasis>not</emphasis> work:
1338
1339 <programlisting>
1340 -- This is invalid; use explicit NewCounter instead for now
1341 setTag :: Counter a -> a -> Counter a
1342 setTag obj t = obj{ tag = t }
1343 </programlisting>
1344
1345 </para>
1346
1347 </sect4>
1348
1349
1350 <sect4>
1351 <title>Restrictions</title>
1352
1353 <para>
1354 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1355 constructors can be use.
1356 </para>
1357
1358 <para>
1359
1360 <itemizedlist>
1361 <listitem>
1362
1363 <para>
1364  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1365 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1366 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1367 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1368
1369
1370 <programlisting>
1371 f1 (MkFoo a f) = a
1372 </programlisting>
1373
1374
1375 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1376 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1377 ask what type <function>f1</function> has:
1378
1379
1380 <programlisting>
1381   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1382 </programlisting>
1383
1384
1385 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1386 this:
1387
1388
1389 <programlisting>
1390   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1391 </programlisting>
1392
1393
1394 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1395
1396
1397 <programlisting>
1398   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1399 </programlisting>
1400
1401
1402 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1403 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1404 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1405
1406
1407 </para>
1408 </listitem>
1409 <listitem>
1410
1411 <para>
1412 You can't pattern-match on an existentially quantified
1413 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1414 bindings. So this is illegal:
1415
1416
1417 <programlisting>
1418   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1419 </programlisting>
1420
1421 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1422
1423 <programlisting>
1424   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1425 </programlisting>
1426
1427 In general, you can only pattern-match
1428 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1429 in the patterns of a function definition.
1430
1431 The reason for this restriction is really an implementation one.
1432 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1433 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1434 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1435 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1436 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1437 annoying it is.
1438
1439 </para>
1440 </listitem>
1441 <listitem>
1442
1443 <para>
1444 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1445 declarations.  So this is illegal:
1446
1447
1448 <programlisting>
1449   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1450 </programlisting>
1451
1452
1453 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1454 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1455 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1456 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1457 You can get just the same efficiency and effect by using
1458 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1459 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1460 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1461 because the <literal>data</literal> version does carry an
1462 implementation cost, but single-field existentially quantified
1463 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1464 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1465 are convincing reasons to change it.
1466
1467
1468 </para>
1469 </listitem>
1470 <listitem>
1471
1472 <para>
1473  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1474 data type with existentially quantified data constructors.
1475
1476 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1477
1478 <programlisting>
1479 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1480 </programlisting>
1481
1482 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1483 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1484
1485 <programlisting>
1486 instance Eq T where
1487   (MkT a) == (MkT b) = ???
1488 </programlisting>
1489
1490 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1491 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1492 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1493 declarations.  Define your own instances!
1494 </para>
1495 </listitem>
1496
1497 </itemizedlist>
1498
1499 </para>
1500
1501 </sect4>
1502 </sect3>
1503
1504 </sect2>
1505
1506
1507
1508 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1509 <title>Class declarations</title>
1510
1511 <para>
1512 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1513 There's lots of background in the paper <ulink
1514 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1515 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1516 Jones, Erik Meijer).
1517 </para>
1518 <para>
1519 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1520 </para>
1521
1522 <sect3>
1523 <title>Multi-parameter type classes</title>
1524 <para>
1525 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1526
1527
1528 <programlisting>
1529   class Collection c a where
1530     union :: c a -> c a -> c a
1531     ...etc.
1532 </programlisting>
1533
1534 </para>
1535 </sect3>
1536
1537 <sect3>
1538 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1539
1540 <para>
1541 There are no restrictions on the context in a class declaration
1542 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1543 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1544
1545
1546 <programlisting>
1547   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1548     ...
1549
1550   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1551     lift :: m a -> (t m) a
1552 </programlisting>
1553
1554
1555 </para>
1556 <para>
1557 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1558 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1559 this is OK:
1560
1561
1562 <programlisting>
1563   class C a where {
1564     op :: D b => a -> b -> b
1565   }
1566
1567   class C a => D a where { ... }
1568 </programlisting>
1569
1570
1571 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1572 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1573 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1574 </para>
1575 </sect3>
1576
1577
1578
1579
1580 <sect3 id="class-method-types">
1581 <title>Class method types</title>
1582
1583 <para>
1584 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1585 class type variable, thus:
1586 <programlisting>
1587   class Seq s a where
1588     fromList :: [a] -> s a
1589     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1590 </programlisting>
1591 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1592 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1593 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1594 GHC lifts this restriction.
1595 </para>
1596
1597
1598 </sect3>
1599
1600
1601 <sect3 id="functional-dependencies">
1602 <title>Functional dependencies
1603 </title>
1604
1605 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1606 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1607 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1608 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1609 .
1610 </para>
1611 <para>
1612 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1613 class declaration;  e.g. 
1614 <programlisting>
1615   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1616
1617   class Foo a b c | a b -> c where ...
1618 </programlisting>
1619 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1620 </para>
1621 <para>
1622 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1623 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1624 from the free variables of each method type.
1625 For example:
1626
1627 <programlisting>
1628   class Coll s a where
1629     empty  :: s
1630     insert :: s -> a -> s
1631 </programlisting>
1632
1633 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1634 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1635 reachable:
1636 <programlisting>
1637   class Coll s a | s -> a where
1638     empty  :: s
1639     insert :: s -> a -> s
1640 </programlisting>
1641
1642 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1643
1644 <programlisting>
1645   class Coll s a where
1646     empty  :: s a
1647     insert :: s a -> a -> s a
1648 </programlisting>
1649
1650
1651 which makes the connection between the type of a collection of
1652 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1653 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1654 class like this:
1655
1656
1657 <programlisting>
1658   class CollE s where
1659     empty  :: s
1660
1661   class CollE s => Coll s a where
1662     insert :: s -> a -> s
1663 </programlisting>
1664 </para>
1665 </sect3>
1666
1667
1668
1669
1670
1671 </sect2>
1672
1673 <sect2 id="instance-decls">
1674 <title>Instance declarations</title>
1675
1676 <sect3 id="instance-rules">
1677 <title>Relaxed rules for instance declarations</title>
1678
1679 <para>An instance declaration has the form
1680 <screen>
1681   instance ( <replaceable>assertion</replaceable><subscript>1</subscript>, ..., <replaceable>assertion</replaceable><subscript>n</subscript>) =&gt; <replaceable>class</replaceable> <replaceable>type</replaceable><subscript>1</subscript> ... <replaceable>type</replaceable><subscript>m</subscript> where ...
1682 </screen>
1683 The part before the "<literal>=&gt;</literal>" is the
1684 <emphasis>context</emphasis>, while the part after the
1685 "<literal>=&gt;</literal>" is the <emphasis>head</emphasis> of the instance declaration.
1686 </para>
1687
1688 <para>
1689 In Haskell 98 the head of an instance declaration
1690 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1691 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1692 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1693 Furthermore, the assertions in the context of the instance declaration be of
1694 the form <literal>C a</literal> where <literal>a</literal> is a type variable.
1695 </para>
1696 <para>
1697 The <option>-fglasgow-exts</option> flag loosens these restrictions
1698 considerably.  Firstly, multi-parameter type classes are permitted.  Secondly,
1699 the context and head of the instance declaration can each consist of arbitrary
1700 (well-kinded) assertions <literal>(C t1 ... tn)</literal> subject only to the following rule:
1701 for each assertion in the context
1702 <orderedlist>
1703 <listitem><para>No type variable has more occurrences in the assertion than in the head</para></listitem>
1704 <listitem><para>Tthe assertion has fewer constructors and variables (taken together
1705       and counting repetitions) than the head</para></listitem>
1706 </orderedlist>
1707 These restrictions ensure that context reduction terminates: each reduction
1708 step makes the problem smaller
1709 constructor.  For example, the following would make the type checker
1710 loop if it wasn't excluded:
1711 <programlisting>
1712   instance C a => C a where ...
1713 </programlisting>
1714 For example, these are OK:
1715 <programlisting>
1716   instance C Int [a]          -- Multiple parameters
1717   instance Eq (S [a])         -- Structured type in head
1718
1719       -- Repeated type variable in head
1720   instance C4 a a => C4 [a] [a] 
1721   instance Stateful (ST s) (MutVar s)
1722
1723       -- Head can consist of type variables only
1724   instance C a
1725   instance (Eq a, Show b) => C2 a b
1726
1727       -- Non-type variables in context
1728   instance Show (s a) => Show (Sized s a)
1729   instance C2 Int a => C3 Bool [a]
1730   instance C2 Int a => C3 [a] b
1731 </programlisting>
1732 But these are not:
1733 <programlisting>
1734   instance C a => C a where ...
1735       -- Context assertion no smaller than head
1736   instance C b b => Foo [b] where ...
1737       -- (C b b) has more more occurrences of b than the head
1738 </programlisting>
1739 </para>
1740
1741 <para>
1742 A couple of useful idioms are these.  First, 
1743 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1744 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1745 something more specific does not:
1746 <programlisting>
1747   instance C a where
1748     op = ... -- Default
1749 </programlisting>
1750
1751 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1752 effect of a "class synonym":
1753
1754
1755 <programlisting>
1756   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1757
1758   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1759 </programlisting>
1760 This allows you to write shorter signatures:
1761
1762 <programlisting>
1763   f :: C a => ...
1764 </programlisting>
1765 instead of
1766 <programlisting>
1767   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1768 </programlisting>
1769 </para>
1770 </sect3>
1771
1772 <sect3 id="undecidable-instances">
1773 <title>Undecidable instances</title>
1774
1775 <para>
1776 Sometimes even the rules of <xref linkend="instance-rules"/> are too onerous.
1777 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1778 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1779 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1780 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1781 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1782 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1783 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1784 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1785 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1786 </para>
1787 <para>
1788 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1789 allowing these idioms interesting idioms.  
1790 </para>
1791 </sect3>
1792
1793
1794 <sect3 id="instance-overlap">
1795 <title>Overlapping instances</title>
1796 <para>
1797 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1798 declaration
1799 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1800 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1801 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1802 </primary></indexterm> 
1803 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1804 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1805 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1806 <para>
1807 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1808 it tries to match every instance declaration against the
1809 constraint,
1810 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1811 these declarations:
1812 <programlisting>
1813   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1814   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1815   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1816   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1817 </programlisting>
1818 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
1819 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1820 no account of the context of the instance declaration
1821 (<literal>context1</literal> etc).
1822 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1823 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1824 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1825 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1826 particular constraint matches more than one.
1827 </para>
1828
1829 <para>
1830 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1831 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1832 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1833 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1834 most-specific match, the program is rejected.
1835 </para>
1836 <para>
1837 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1838 <programlisting>
1839   f :: [b] -> [b]
1840   f x = ...
1841 </programlisting>
1842 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1843 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1844 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1845 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1846 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1847 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1848 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1849 the problem of subsequent instantiations.
1850 </para>
1851 <para>
1852 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
1853 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
1854 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
1855 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
1856 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
1857 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
1858 <itemizedlist>
1859 <listitem><para>
1860 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
1861 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
1862 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
1863 more-specific instance does not matter.
1864 </para></listitem>
1865 <listitem><para>
1866 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
1867 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
1868 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
1869 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
1870 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
1871 check for that declaration.
1872 </para></listitem>
1873 </itemizedlist>
1874 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
1875 overlapping instances without the library client having to know.
1876 </para>
1877 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
1878 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
1879 </para>
1880 </sect3>
1881
1882 <sect3>
1883 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1884
1885 <para>
1886 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1887 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1888 As always, using a type synonym is just shorthand for
1889 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1890
1891
1892 <programlisting>
1893   type Point = (Int,Int)
1894   instance C Point   where ...
1895   instance C [Point] where ...
1896 </programlisting>
1897
1898
1899 is legal.  However, if you added
1900
1901
1902 <programlisting>
1903   instance C (Int,Int) where ...
1904 </programlisting>
1905
1906
1907 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1908 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1909 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1910
1911
1912 <programlisting>
1913   type P a = [[a]]
1914   instance Monad P where ...
1915 </programlisting>
1916
1917
1918 This design decision is independent of all the others, and easily
1919 reversed, but it makes sense to me.
1920
1921 </para>
1922 </sect3>
1923
1924
1925 </sect2>
1926
1927 <sect2 id="type-restrictions">
1928 <title>Type signatures</title>
1929
1930 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1931 <para>
1932 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1933 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1934 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1935 these type signatures are perfectly OK
1936 <programlisting>
1937   g :: Eq [a] => ...
1938   g :: Ord (T a ()) => ...
1939 </programlisting>
1940 </para>
1941 <para>
1942 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1943 Consider the type:
1944
1945 <programlisting>
1946   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1947 </programlisting>
1948
1949 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1950 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1951 explicit source-language type signature are universally quantified,
1952 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1953 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1954 </para>
1955
1956 <para>
1957
1958 <orderedlist>
1959 <listitem>
1960
1961 <para>
1962  <emphasis>Each universally quantified type variable
1963 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1964
1965 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1966 in the same constraint as either a type variable free in in
1967 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1968 A value with a type that does not obey 
1969 this reachability restriction cannot be used without introducing
1970 ambiguity; that is why the type is rejected.
1971 Here, for example, is an illegal type:
1972
1973
1974 <programlisting>
1975   forall a. Eq a => Int
1976 </programlisting>
1977
1978
1979 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1980 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1981 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1982 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1983 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1984 get any more information about <literal>tv</literal>.
1985 </para>
1986 <para>
1987 Note
1988 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1989 functionally dependent on a type variable free in
1990 <literal>type</literal> (see <xref
1991 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1992 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1993 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1994 For example, consider:
1995 <programlisting>
1996   class C a b | a -> b where ...
1997   class C a b => D a b where ...
1998   f :: forall a b. D a b => a -> a
1999 </programlisting>
2000 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
2001 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
2002 </para>
2003 </listitem>
2004 <listitem>
2005
2006 <para>
2007  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
2008 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
2009
2010 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
2011 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
2012
2013
2014 <programlisting>
2015   forall a. C a b => burble
2016 </programlisting>
2017
2018
2019 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
2020 mention <literal>a</literal>:
2021
2022
2023 <programlisting>
2024   forall a. Eq b => burble
2025 </programlisting>
2026
2027
2028 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
2029 excluded types are never useful or necessary (because the offending
2030 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
2031 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
2032 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
2033 territory free in case we need it later.
2034
2035 </para>
2036 </listitem>
2037
2038 </orderedlist>
2039
2040 </para>
2041 </sect3>
2042
2043 <sect3 id="hoist">
2044 <title>For-all hoisting</title>
2045 <para>
2046 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
2047 end of an arrow, thus:
2048 <programlisting>
2049   type Discard a = forall b. a -> b -> a
2050
2051   g :: Int -> Discard Int
2052   g x y z = x+y
2053 </programlisting>
2054 Simply expanding the type synonym would give
2055 <programlisting>
2056   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
2057 </programlisting>
2058 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
2059 <programlisting>
2060   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2061 </programlisting>
2062 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2063 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2064 performs the transformation:</emphasis>
2065 <programlisting>
2066   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2067 ==>
2068   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2069 </programlisting>
2070 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2071 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2072 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2073 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2074 <programlisting>
2075   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2076 </programlisting>
2077 </para>
2078 <para>
2079 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2080 example:
2081 <programlisting>
2082   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2083   g :: Foo (Foo Int)
2084 </programlisting>
2085 means
2086 <programlisting>
2087   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2088 </programlisting>
2089 </para>
2090 </sect3>
2091
2092
2093 </sect2>
2094
2095 <sect2 id="implicit-parameters">
2096 <title>Implicit parameters</title>
2097
2098 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2099 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2100 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2101 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2102 Boston, Jan 2000.
2103 </para>
2104
2105 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2106 due to Jeff Lewis.)</para>
2107
2108 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2109 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2110
2111 <para>
2112 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2113 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2114 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2115 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2116 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2117 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2118 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2119 only support static scoping of variables.
2120 </para>
2121 <para>
2122 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2123 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2124 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2125 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2126 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2127 of type <literal>t'</literal>". For
2128 example, the following expresses the type of a sort function,
2129 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2130 <programlisting>
2131   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2132 </programlisting>
2133 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2134 </para>
2135 <para>
2136 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2137 where <literal>x</literal> is
2138 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2139 Use of this construct also introduces a new
2140 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2141 For example, the following definition
2142 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2143 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2144 <programlisting>
2145   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2146
2147   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2148   sort    = sortBy ?cmp
2149 </programlisting>
2150 </para>
2151
2152 <sect3>
2153 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2154 <para>
2155 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2156 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2157 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2158 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2159 to pick out the least value in a list:
2160 <programlisting>
2161   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2162   least xs = fst (sort xs)
2163 </programlisting>
2164 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2165 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2166 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2167 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2168 propagate them.
2169 </para>
2170 <para>
2171 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2172 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2173 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2174 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2175 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2176 class constraints.
2177 </para>
2178
2179 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2180 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2181 <programlisting>
2182   class (?x::Int) => C a where ...
2183   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2184 </programlisting>
2185 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2186 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2187 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2188 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2189 <para>
2190 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2191 <programlisting>
2192    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2193    f n = n + length ?x
2194
2195    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2196    g s = show (read s)
2197 </programlisting>
2198 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2199 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2200 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2201 </para>
2202 </sect3>
2203
2204 <sect3>
2205 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2206
2207 <para>
2208 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2209 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2210 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2211 <literal>cmp</literal>.
2212 <programlisting>
2213   min :: [a] -> a
2214   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2215 </programlisting>
2216 </para>
2217 <para>
2218 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2219 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2220 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2221 or a <literal>where</literal> clause.
2222 Note the following points:
2223 <itemizedlist>
2224 <listitem><para>
2225 An implicit-parameter binding group must be a
2226 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2227 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2228 neither polymorphic or recursive.  
2229 </para></listitem>
2230 <listitem><para>
2231 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2232 single <literal>let</literal>
2233 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2234 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2235 </para></listitem>
2236
2237 <listitem><para>
2238 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2239 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2240 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2241 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2242 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2243 the meaning of the program.
2244 For example, consider:
2245 <programlisting>
2246   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2247 </programlisting>
2248 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2249 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2250 <programlisting>
2251   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2252 </programlisting>
2253 </para></listitem>
2254 </itemizedlist>
2255 </para>
2256
2257 </sect3>
2258
2259 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2260
2261 <para>
2262 Consider these two definitions:
2263 <programlisting>
2264   len1 :: [a] -> Int
2265   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2266
2267   len_acc1 [] = ?acc
2268   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2269
2270   ------------
2271
2272   len2 :: [a] -> Int
2273   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2274
2275   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2276   len_acc2 [] = ?acc
2277   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2278 </programlisting>
2279 The only difference between the two groups is that in the second group
2280 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2281 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2282 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2283 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2284 has a type signature, the recursive call is made to the
2285 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2286 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2287 <programlisting>
2288   Prog> len1 "hello"
2289   0
2290   Prog> len2 "hello"
2291   5
2292 </programlisting>
2293 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2294 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2295 </para>
2296 </sect3>
2297
2298 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2299
2300 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2301 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2302 <programlisting>
2303  f :: Int -> Int
2304   f v = let ?x = 0     in
2305         let y = ?x + v in
2306         let ?x = 5     in
2307         y
2308 </programlisting>
2309 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2310 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2311 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2312 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2313 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2314 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2315 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2316 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2317 <literal>14</literal>.
2318 </para>
2319 </sect3>
2320 </sect2>
2321
2322 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2323 <title>Linear implicit parameters</title>
2324 <para>
2325 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2326 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2327 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2328 </para>
2329 <itemizedlist>
2330 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2331 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2332 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2333 </itemizedlist>
2334
2335 <para>
2336 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2337 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2338 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2339 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2340 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2341 </para>
2342 <para>
2343 For example:
2344 <programlisting>
2345     import GHC.Exts( Splittable )
2346
2347     data NameSupply = ...
2348     
2349     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2350     newName :: NameSupply -> Name
2351
2352     instance Splittable NameSupply where
2353         split = splitNS
2354
2355
2356     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2357     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2358                     where
2359                       x'   = newName %ns
2360                       env' = extend env x x'
2361     ...more equations for f...
2362 </programlisting>
2363 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2364 <itemizedlist>
2365 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2366 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2367 </itemizedlist>
2368 </para>
2369 <para>
2370 So the translation done by the type checker makes
2371 the parameter explicit:
2372 <programlisting>
2373     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2374     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2375                        where
2376                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2377                          x' = newName ns2
2378                          env = extend env x x'
2379 </programlisting>
2380 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2381 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2382 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2383 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2384 <programlisting>
2385         class Splittable a where
2386           split :: a -> (a,a)
2387 </programlisting>
2388 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2389 split for name supplies.  But we can simply write
2390 <programlisting>
2391         g x = (x, %ns, %ns)
2392 </programlisting>
2393 and GHC will infer
2394 <programlisting>
2395         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2396 </programlisting>
2397 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2398 <literal>GHC.Exts</literal>.
2399 </para>
2400 <para>
2401 Other points:
2402 <itemizedlist>
2403 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2404 are entirely distinct implicit parameters: you 
2405   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2406 </listitem>
2407
2408 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2409
2410 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2411   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2412 </itemizedlist>
2413 </para>
2414
2415 <sect3><title>Warnings</title>
2416
2417 <para>
2418 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2419 Consider the example above:
2420 <programlisting>
2421     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2422     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2423                     where
2424                       x'   = newName %ns
2425                       env' = extend env x x'
2426 </programlisting>
2427 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2428 usually a harmless thing to do, we get:
2429 <programlisting>
2430     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2431     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2432                     where
2433                       env' = extend env x (newName %ns)
2434 </programlisting>
2435 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2436 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2437 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2438 the beta rule.
2439 </para>
2440 <para>
2441 Well, this is an experimental change.  With implicit
2442 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2443 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2444 Haskell programs without knowing their typing.
2445 </para>
2446
2447 </sect3>
2448
2449 <sect3><title>Recursive functions</title>
2450 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2451 Consider
2452 <programlisting>
2453         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2454         foo 0 = []
2455         foo n = %x : foo (n-1)
2456 </programlisting>
2457 where T is some type in class Splittable.</para>
2458 <para>
2459 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2460 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2461 </para><para>
2462 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2463 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2464 translated term, where the implicit param is made explicit:
2465 <programlisting>
2466         foo x 0 = []
2467         foo x n = let (x1,x2) = split x
2468                   in x1 : foo x2 (n-1)
2469 </programlisting>
2470 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2471 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2472 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2473 work.  So the translation becomes
2474 <programlisting>
2475         foo x = let
2476                   foom 0 = []
2477                   foom n = x : foom (n-1)
2478                 in
2479                 foom
2480 </programlisting>
2481 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2482 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2483 Yikes!
2484 </para><para>
2485 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2486 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2487 </para>
2488 </sect3>
2489
2490 </sect2>
2491
2492 <sect2 id="sec-kinding">
2493 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2494
2495 <para>
2496 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2497 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2498 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2499 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2500 John Hughes had to define the data type:
2501 <screen>
2502      data Set cxt a = Set [a]
2503                     | Unused (cxt a -> ())
2504 </screen>
2505 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2506 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2507 </para>
2508 <para>
2509 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2510 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2511 <itemizedlist>
2512 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2513 <screen>
2514   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2515 </screen></para></listitem>
2516 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2517 <screen>
2518   type T (f :: * -> *) = f Int
2519 </screen></para></listitem>
2520 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2521 <screen>
2522   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2523 </screen></para></listitem>
2524 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2525 <screen>
2526   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2527 </screen></para></listitem>
2528 </itemizedlist>
2529 </para>
2530
2531 <para>
2532 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2533 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2534 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2535 single lexeme in Haskell.
2536 </para>
2537
2538 <para>
2539 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2540 as well.  Thus:
2541 <screen>
2542    f :: (Int :: *) -> Int
2543    g :: forall a. a -> (a :: *)
2544 </screen>
2545 The syntax is
2546 <screen>
2547    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2548 </screen>
2549 The parentheses are required.
2550 </para>
2551 </sect2>
2552
2553
2554 <sect2 id="universal-quantification">
2555 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2556 </title>
2557
2558 <para>
2559 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2560 allows us to say exactly what this means.  For example:
2561 </para>
2562 <para>
2563 <programlisting>
2564         g :: b -> b
2565 </programlisting>
2566 means this:
2567 <programlisting>
2568         g :: forall b. (b -> b)
2569 </programlisting>
2570 The two are treated identically.
2571 </para>
2572
2573 <para>
2574 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2575 explicit universal quantification in
2576 types. 
2577 For example, all the following types are legal:
2578 <programlisting>
2579     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2580     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2581
2582     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2583     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2584
2585     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2586 </programlisting>
2587 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2588 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2589 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2590 is implicitly added by Haskell.
2591 </para>
2592 <para>
2593 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2594 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2595 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2596 </para>
2597 <para>
2598 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2599 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2600 </para>
2601 <para>
2602 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2603 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2604 that restriction has now been lifted.)
2605 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2606 including an operational type class context, is legal:
2607 <itemizedlist>
2608 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2609 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2610 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2611 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2612 field type signatures.</para> </listitem>
2613 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2614 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2615 </itemizedlist>
2616 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2617 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2618 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2619 <programlisting>
2620     x1 :: [forall a. a->a]
2621     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2622     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2623 </programlisting>
2624 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2625 a type variable any more!
2626 </para>
2627
2628
2629 <sect3 id="univ">
2630 <title>Examples
2631 </title>
2632
2633 <para>
2634 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2635 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2636 </para>
2637
2638 <para>
2639
2640 <programlisting>
2641 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2642
2643 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2644                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2645                         }
2646
2647 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2648 </programlisting>
2649
2650 </para>
2651
2652 <para>
2653 The constructors have rank-2 types:
2654 </para>
2655
2656 <para>
2657
2658 <programlisting>
2659 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2660 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2661                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2662                   -> MonadT m
2663 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2664 </programlisting>
2665
2666 </para>
2667
2668 <para>
2669 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2670 explicit context.  For example in the first argument of the
2671 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2672 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2673 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2674 mentioned in the type quantified over.
2675 </para>
2676
2677 <para>
2678 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2679 types too.  So if you write this:
2680
2681 <programlisting>
2682   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2683 </programlisting>
2684
2685 it's just as if you had written this:
2686
2687 <programlisting>
2688   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2689 </programlisting>
2690
2691 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2692 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2693 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2694 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2695 </para>
2696
2697 <para>
2698 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2699 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2700 </para>
2701
2702 <para>
2703
2704 <programlisting>
2705     a1 :: T Int
2706     a1 = T1 (\xy->x) 3
2707     
2708     a2, a3 :: Swizzle
2709     a2 = MkSwizzle sort
2710     a3 = MkSwizzle reverse
2711     
2712     a4 :: MonadT Maybe
2713     a4 = let r x = Just x
2714              b m k = case m of
2715                        Just y -> k y
2716                        Nothing -> Nothing
2717          in
2718          MkMonad r b
2719
2720     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2721     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2722 </programlisting>
2723
2724 </para>
2725
2726 <para>
2727 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2728 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2729 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2730 </para>
2731
2732 <para>
2733 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2734 polymorphic types.  For example:
2735 </para>
2736
2737 <para>
2738
2739 <programlisting>
2740     f :: T a -> a -> (a, Char)
2741     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2742
2743     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2744     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2745
2746     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2747     h m [] = return m []
2748     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2749                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2750                  return m (y:ys)
2751 </programlisting>
2752
2753 </para>
2754
2755 <para>
2756 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2757 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2758 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2759 matching.
2760 </para>
2761 </sect3>
2762
2763 <sect3>
2764 <title>Type inference</title>
2765
2766 <para>
2767 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2768 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2769 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2770 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2771 </para>
2772 <para>
2773 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2774 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2775 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2776 </para>
2777 <para>
2778 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2779 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2780 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2781 <programlisting>
2782      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2783 </programlisting>
2784 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2785 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2786 <programlisting>
2787      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2788 </programlisting>
2789 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2790 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2791 one can give a type signature for the function itself:
2792 <programlisting>
2793      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2794      h f = (f True, f 'c')
2795 </programlisting>
2796 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2797 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2798 <programlisting>
2799     f :: T a -> a -> (a, Char)
2800     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2801 </programlisting>
2802 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2803 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2804 it needs to know.
2805 </para>
2806
2807 </sect3>
2808
2809
2810 <sect3 id="implicit-quant">
2811 <title>Implicit quantification</title>
2812
2813 <para>
2814 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2815 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2816 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2817 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2818 equivalent:
2819 <programlisting>
2820   f :: a -> a
2821   f :: forall a. a -> a
2822
2823   g (x::a) = let
2824                 h :: a -> b -> b
2825                 h x y = y
2826              in ...
2827   g (x::a) = let
2828                 h :: forall b. a -> b -> b
2829                 h x y = y
2830              in ...
2831 </programlisting>
2832 </para>
2833 <para>
2834 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2835 point.  For example:
2836 <programlisting>
2837   f :: (a -> a) -> Int
2838            -- MEANS
2839   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2840            -- NOT
2841   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2842
2843
2844   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2845            -- MEANS the illegal type
2846   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2847            -- NOT
2848   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2849 </programlisting>
2850 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2851 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2852 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2853 for rank-2 types.
2854 </para>
2855 </sect3>
2856 </sect2>
2857
2858
2859
2860
2861 <sect2 id="scoped-type-variables">
2862 <title>Scoped type variables
2863 </title>
2864
2865 <para>
2866 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2867 <itemizedlist>
2868 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2869 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2870 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2871 </itemizedlist>
2872 For example:
2873 <programlisting>
2874 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2875            where
2876               ys :: [a]
2877               ys = reverse xs
2878 </programlisting>
2879 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2880 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2881 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2882 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2883 </para>
2884
2885 <para>
2886 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2887 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2888 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2889 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2890 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2891 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2892 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2893 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2894 it becomes possible to do so.
2895 </para>
2896
2897 <para>
2898 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2899 implementations differ from the specification below, those differences
2900 are noted.
2901 </para>
2902
2903 <para>
2904 So much for the basic idea.  Here are the details.
2905 </para>
2906
2907 <sect3>
2908 <title>What a scoped type variable means</title>
2909 <para>
2910 A lexically-scoped type variable is simply
2911 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2912 of the same name mean the same type.  For example:
2913 <programlisting>
2914   f :: [Int] -> Int -> Int
2915   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2916 </programlisting>
2917 The pattern type signatures on the left hand side of
2918 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2919 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2920 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2921 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2922 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2923 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2924 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2925 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2926 For example, all of these are legal:</para>
2927
2928 <programlisting>
2929   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2930
2931   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2932
2933   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2934
2935   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2936         in k x                  -- environment
2937
2938   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2939   k (x::Int) False = ...
2940
2941   w :: [b] -> [b]
2942   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2943 </programlisting>
2944
2945 </sect3>
2946
2947 <sect3>
2948 <title>Scope and implicit quantification</title>
2949
2950 <para>
2951
2952 <itemizedlist>
2953 <listitem>
2954
2955 <para>
2956 All the type variables mentioned in a pattern,
2957 that are not already in scope,
2958 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2959 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2960 For example:
2961 <programlisting>
2962   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2963              in
2964              g (x,True)
2965 </programlisting>
2966 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2967 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2968 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2969 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2970 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2971 </para>
2972 </listitem>
2973
2974 <listitem>
2975 <para>
2976 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2977 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2978 <programlisting>
2979   let
2980     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2981     (p::b, q::b) = (1,2)
2982   in &lt;...body of let...>
2983 </programlisting>
2984 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2985 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2986 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2987 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2988 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2989 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2990 </para>
2991 </listitem>
2992
2993
2994 <listitem>
2995 <para>
2996 The type variables bound by the pattern may be 
2997 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2998 type signatures anywhere within their scope.
2999
3000 </para>
3001 </listitem>
3002
3003 <listitem>
3004 <para>
3005  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
3006 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
3007
3008 </para>
3009 </listitem>
3010
3011 <listitem>
3012
3013 <para>
3014  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
3015 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
3016
3017 <programlisting>
3018   f :: a -> a
3019   f x = x::a
3020 </programlisting>
3021
3022 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
3023 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
3024 and that is an incorrect typing.
3025
3026 </para>
3027 </listitem>
3028
3029 <listitem>
3030 <para>
3031 The pattern type signature is a monotype:
3032 </para>
3033
3034 <itemizedlist>
3035 <listitem> <para> 
3036 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
3037 </para> </listitem>
3038
3039 <listitem>  <para> 
3040 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
3041 not to type schemes.
3042 </para> </listitem>
3043
3044 <listitem>  <para> 
3045 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
3046 ordinary type signatures).
3047 </para> </listitem>
3048
3049 </itemizedlist>
3050
3051 </listitem>
3052
3053 <listitem>
3054 <para>
3055
3056 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
3057 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
3058
3059
3060 <programlisting>
3061   class C a where
3062     op :: [a] -> a
3063
3064     op xs = let ys::[a]
3065                 ys = reverse xs
3066             in
3067             head ys
3068 </programlisting>
3069
3070
3071 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3072 </para>
3073 </listitem>
3074
3075 </itemizedlist>
3076
3077 </para>
3078
3079 </sect3>
3080
3081 <sect3 id="decl-type-sigs">
3082 <title>Declaration type signatures</title>
3083 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3084 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3085 explicitly-quantified
3086 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3087 <programlisting>
3088   f :: forall a. [a] -> [a]
3089   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3090 </programlisting>
3091 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3092 the definition of "<literal>f</literal>".
3093 </para>
3094 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3095 signature is explicit.  For example:
3096 <programlisting>
3097   g :: [a] -> [a]
3098   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3099 </programlisting>
3100 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3101 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3102 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3103 quantification rules.
3104 </para>
3105 </sect3>
3106
3107 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3108 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3109
3110 <para>
3111 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3112 <itemizedlist>
3113
3114 <listitem>
3115 <para>
3116 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3117 just on a variable:
3118
3119
3120 <programlisting>
3121   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3122 </programlisting>
3123
3124
3125 </para>
3126 </listitem>
3127 <listitem>
3128
3129 <para>
3130  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3131 in lambda abstractions:
3132
3133 <programlisting>
3134   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3135 </programlisting>
3136 </para>
3137 </listitem>
3138 <listitem>
3139
3140 <para>
3141  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3142 in <literal>case</literal> expressions:
3143
3144 <programlisting>
3145   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3146 </programlisting>
3147
3148 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3149 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3150 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3151 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3152 arrow and give a parse error later.
3153
3154 </para>
3155
3156 </listitem>
3157
3158 <listitem>
3159 <para>
3160 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3161 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3162 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3163 consider how one would parse this:
3164
3165
3166 <programlisting>
3167   \ x :: a -> b -> x
3168 </programlisting>
3169
3170
3171 </para>
3172 </listitem>
3173
3174 <listitem>
3175
3176 <para>
3177  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3178 For example:
3179
3180
3181 <programlisting>
3182   data T = forall a. MkT [a]
3183
3184   f :: T -> T
3185   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3186                  where
3187                    t3::[a] = [t,t,t]
3188 </programlisting>
3189
3190
3191 </para>
3192 </listitem>
3193
3194
3195 <listitem>
3196
3197 <para>
3198 Pattern type signatures 
3199 can be used in pattern bindings:
3200
3201 <programlisting>
3202   f x = let (y, z::a) = x in ...
3203   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3204   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3205   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3206 </programlisting>
3207
3208 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3209 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3210 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3211 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3212 In contrast, the binding
3213 <programlisting>
3214   f4 :: b->b
3215   f4 = \x -> x
3216 </programlisting>
3217 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3218 in <literal>f4</literal>'s scope.
3219
3220 </para>
3221 </listitem>
3222 </itemizedlist>
3223 </para>
3224 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3225 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3226
3227 </sect3>
3228
3229 <sect3 id="result-type-sigs">
3230 <title>Result type signatures</title>
3231
3232 <para>
3233 The result type of a function can be given a signature, thus:
3234
3235
3236 <programlisting>
3237   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3238 </programlisting>
3239
3240
3241 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3242 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3243 you want:
3244
3245
3246 <programlisting>
3247   f :: Int -> [a] -> [a]
3248   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3249                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3250 </programlisting>
3251
3252 </para>
3253 <para>
3254 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3255 of the definition. However, consider this corner-case:
3256 <programlisting>
3257   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3258
3259   foo ys = rev (ys::[a])
3260 </programlisting>
3261 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3262 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3263 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3264 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3265 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3266 </para>
3267 <para>
3268 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3269 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3270 is polymorphic:
3271 <programlisting>
3272   rev1 :: [b] -> [b]
3273   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3274 </programlisting>
3275 </para>
3276
3277 <para>
3278 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3279 </para>
3280
3281 </sect3>
3282
3283 </sect2>
3284
3285 <sect2 id="deriving-typeable">
3286 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3287
3288 <para>
3289 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3290 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3291 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3292 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3293 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3294 </para>
3295 <para>
3296 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3297 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3298 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3299 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3300 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3301 </para>
3302 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3303 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3304 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3305 described in
3306 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3307 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3308 </ulink>.
3309 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3310 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3311 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3312 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3313 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3314 then writing the data type instance by hand.
3315 </para>
3316 </sect2>
3317
3318 <sect2 id="newtype-deriving">
3319 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3320
3321 <para>
3322 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3323 the new type to inherit some instances from its representation. In
3324 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3325 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3326 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3327 example, if you define
3328
3329 <programlisting> 
3330   newtype Dollars = Dollars Int 
3331 </programlisting> 
3332
3333 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3334 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3335
3336 <programlisting> 
3337   instance Num Dollars where
3338     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3339     ...
3340 </programlisting>
3341 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3342 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3343 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3344 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3345 dictionary, only slower!
3346 </para>
3347
3348
3349 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3350 <para>
3351 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3352 <programlisting> 
3353   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3354 </programlisting> 
3355
3356 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3357 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3358 derives an instance declaration of the form
3359
3360 <programlisting> 
3361   instance Num Int => Num Dollars
3362 </programlisting> 
3363
3364 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3365 </para>
3366 <para>
3367
3368 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3369 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3370 transformers, such that
3371
3372 <programlisting> 
3373   instance Monad m => Monad (State s m) 
3374   instance Monad m => Monad (Failure m)
3375 </programlisting> 
3376 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3377 <programlisting> 
3378   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3379 </programlisting> 
3380
3381 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3382 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3383 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3384
3385 <programlisting> 
3386   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3387                          deriving Monad
3388 </programlisting>
3389 In this case the derived instance declaration is of the form 
3390 <programlisting> 
3391   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3392 </programlisting> 
3393
3394 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3395 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3396 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3397 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3398 declaration.
3399 </para>
3400 <para>
3401
3402 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3403 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3404 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3405 clause. For example, given the class
3406
3407 <programlisting> 
3408   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3409   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3410 </programlisting> 
3411 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3412 <programlisting> 
3413   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3414                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3415 </programlisting>
3416
3417 The derived instance is obtained by completing the application of the
3418 class to the new type:
3419
3420 <programlisting> 
3421   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3422            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3423 </programlisting>
3424 </para>
3425 <para>
3426
3427 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3428  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3429 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3430 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3431 the newtype and its representation.
3432 </para>
3433 </sect3>
3434
3435 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3436 <para>
3437 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3438 declaration (after expansion of any type synonyms)
3439
3440 <programlisting> 
3441   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3442 </programlisting> 
3443
3444 where 
3445  <itemizedlist>
3446 <listitem><para>
3447   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3448 </para></listitem>
3449 <listitem><para>
3450   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3451 </para></listitem>
3452 <listitem><para>
3453   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3454   the <literal>ti</literal>, and
3455 </para></listitem>
3456 <listitem><para>
3457   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3458   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3459   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3460 </para></listitem>
3461 <listitem><para>
3462   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3463                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3464                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3465                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3466                 via this new mechanism.  
3467 </para></listitem>
3468 </itemizedlist>
3469 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3470 declaration is:
3471 <programlisting> 
3472   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3473 </programlisting>
3474 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3475 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3476 </para>
3477 <para>
3478
3479 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3480 <programlisting> 
3481   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3482 </programlisting> 
3483 Here we cannot derive the instance 
3484 <programlisting> 
3485   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3486 </programlisting> 
3487
3488 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3489 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3490 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3491 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3492 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3493 </para>
3494 <para>
3495
3496 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3497 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3498 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3499
3500 <programlisting> 
3501   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3502 </programlisting>
3503
3504 then we would not have been able to derive an instance for the
3505 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3506 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3507 instances is most interesting.
3508 </para>
3509 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3510 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3511 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3512 4.3.3. of the Haskell Report).
3513 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3514 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3515 the standard method is used or the one described here.)
3516 </para>
3517 </sect3>
3518
3519 </sect2>
3520
3521 <sect2 id="typing-binds">
3522 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3523
3524 <para>
3525 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3526 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3527 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3528 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3529 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3530 As each group is type-checked, any binders of the group that
3531 have
3532 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3533 polymorphic type,
3534 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3535 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3536 </para>
3537
3538 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3539 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3540 Haskell</ulink>,
3541 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3542 specified:
3543 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3544 type signature</emphasis>.
3545 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3546 typecheck.  For example, consider:
3547 <programlisting>
3548   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3549   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3550   
3551   g y = (y &lt;= y) || f True
3552 </programlisting>
3553 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3554 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3555 <literal>f</literal>,
3556 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3557 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3558 type is generalised, to get
3559 <programlisting>
3560   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3561 </programlisting>
3562 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3563 <literal>g</literal> in the type environment.
3564 </para>
3565
3566 <para>
3567 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3568 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3569 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3570 <option>-fglasgow-exts</option>
3571 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3572 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3573 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3574 <programlisting>
3575   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3576   f x = (x == x) || g True
3577   
3578   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3579   g y = (y &lt;= y) || f True
3580 </programlisting>
3581 </para>
3582 </sect2>
3583
3584 </sect1>
3585 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3586   
3587 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3588
3589 <sect1 id="gadt">
3590 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3591
3592 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3593 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3594 <programlisting>
3595   data Term a where
3596       Lit    :: Int -> Term Int
3597       Succ   :: Term Int -> Term Int
3598       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3599       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3600       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3601 </programlisting>
3602 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3603 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3604 for these <literal>Terms</literal>:
3605 <programlisting>
3606   eval :: Term a -> a
3607   eval (Lit i)      = i
3608   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3609   eval (IsZero t)   = eval t == 0
3610   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3611   eval (Pair e1 e2) = (eval e1, eval e2)
3612 </programlisting>
3613 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3614 </para>
3615 <para> The extensions to GHC are these:
3616 <itemizedlist>
3617 <listitem><para>
3618   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3619 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3620 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3621 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3622 <programlisting>
3623   data Term :: * -> * where ...
3624 </programlisting>
3625 or even a mixture of the two:
3626 <programlisting>
3627   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3628 </programlisting>
3629 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3630 like this:
3631 <programlisting>
3632   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3633 </programlisting>
3634 </para></listitem>
3635
3636 <listitem><para>
3637 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3638 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3639 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3640 </para></listitem>
3641
3642 <listitem><para>
3643 You can use record syntax on a GADT-style data type declaration:
3644
3645 <programlisting>
3646   data Term a where
3647       Lit    { val  :: Int }      :: Term Int
3648       Succ   { num  :: Term Int } :: Term Int
3649       Pred   { num  :: Term Int } :: Term Int
3650       IsZero { arg  :: Term Int } :: Term Bool  
3651       Pair   { arg1 :: Term a
3652              , arg2 :: Term b
3653              }                    :: Term (a,b)
3654       If     { cnd  :: Term Bool
3655              , tru  :: Term a
3656              , fls  :: Term a
3657              }                    :: Term a
3658 </programlisting>
3659 For every constructor that has a field <literal>f</literal>, (a) the type of
3660 field <literal>f</literal> must be the same; and (b) the
3661 result type of the constructor must be the same; both modulo alpha conversion.
3662 Hence, in our example, we cannot merge the <literal>num</literal> and <literal>arg</literal>
3663 fields above into a 
3664 single name.  Although their field types are both <literal>Term Int</literal>,
3665 their selector functions actually have different types:
3666
3667 <programlisting>
3668   num :: Term Int -> Term Int
3669   arg :: Term Bool -> Term Int
3670 </programlisting>
3671
3672 At the moment, record updates are not yet possible with GADT, so support is 
3673 limited to record construction, selection and pattern matching:
3674
3675 <programlisting>
3676   someTerm :: Term Bool
3677   someTerm = IsZero { arg = Succ { num = Lit { val = 0 } } }
3678
3679   eval :: Term a -> a
3680   eval Lit    { val = i } = i
3681   eval Succ   { num = t } = eval t + 1
3682   eval Pred   { num = t } = eval t - 1
3683   eval IsZero { arg = t } = eval t == 0
3684   eval Pair   { arg1 = t1, arg2 = t2 } = (eval t1, eval t2)
3685   eval t@If{} = if eval (cnd t) then eval (tru t) else eval (fls t)
3686 </programlisting>
3687
3688 </para></listitem>
3689
3690 <listitem><para>
3691 You can use strictness annotations, in the obvious places
3692 in the constructor type:
3693 <programlisting>
3694   data Term a where
3695       Lit    :: !Int -> Term Int
3696       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3697       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3698 </programlisting>
3699 </para></listitem>
3700
3701 <listitem><para>
3702 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3703 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3704 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3705 <programlisting>
3706   data Maybe1 a where {
3707       Nothing1 :: Maybe a ;
3708       Just1    :: a -> Maybe a
3709     } deriving( Eq, Ord )
3710
3711   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3712        deriving( Eq, Ord )
3713 </programlisting>
3714 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3715 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3716 </para></listitem>
3717
3718 <listitem><para>
3719 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3720 <programlisting>
3721   eval :: Term a -> a
3722   eval (Lit i) =  ...
3723 </programlisting>
3724 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3725 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3726 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3727
3728 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3729 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3730 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3731 <programlisting>
3732   eval :: Term a -> a -> a
3733   eval (Lit i) j =  i+j
3734 </programlisting>
3735 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3736 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3737 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3738 </para>
3739 </listitem>
3740 </itemizedlist>
3741 </para>
3742
3743 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3744 <programlisting>
3745   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3746   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3747 </programlisting>
3748 </para>
3749 </sect1>
3750
3751 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3752
3753 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3754
3755 <sect1 id="template-haskell">
3756 <title>Template Haskell</title>
3757
3758 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3759 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3760 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3761 the background to
3762 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3763 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3764 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3765 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3766 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3767 (search for the type ExpQ).
3768 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3769       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3770 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3771 </para>
3772
3773 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3774 </para>
3775
3776 <para>
3777 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3778 Tim Sheard is going to expand it.)
3779 </para>
3780
3781     <sect2>
3782       <title>Syntax</title>
3783
3784       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3785       constructions.  You need to use the flag
3786       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3787       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3788       (<option>-fth</option> is currently implied by
3789       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3790       specify it explicitly).</para>
3791
3792         <itemizedlist>
3793               <listitem><para>
3794                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3795                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3796                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3797                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3798                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3799                   </para>
3800               <para> A splice can occur in place of 
3801                   <itemizedlist>
3802                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3803                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3804                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3805                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3806                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3807                     </itemizedlist>
3808            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3809         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3810         as in the paper.)
3811                 </para></listitem>
3812
3813
3814               <listitem><para>
3815                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3816                   <itemizedlist>
3817                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3818                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3819                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3820                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3821                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3822                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3823                   </itemizedlist></para></listitem>
3824
3825               <listitem><para>
3826                   Reification is written thus:
3827                   <itemizedlist>
3828                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3829                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3830                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3831                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3832                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3833                     
3834                   </itemizedlist></para>
3835                 </listitem>
3836
3837                   
3838         </itemizedlist>
3839 </sect2>
3840
3841 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3842 <para>
3843 <itemizedlist>
3844     <listitem><para>
3845     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3846     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3847     </para></listitem>
3848
3849     <listitem><para>
3850     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3851             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3852             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3853    </para></listitem>
3854
3855     <listitem><para>
3856             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3857    </para></listitem>
3858     <listitem><para>
3859             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3860               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3861               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3862               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3863               those of the compiler itself.
3864    </para></listitem>
3865 </itemizedlist>
3866 </para>
3867 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3868         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3869         has been lifted.
3870 </para>
3871 </sect2>
3872  
3873 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3874 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3875   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3876
3877 <programlisting>
3878
3879 {- Main.hs -}
3880 module Main where
3881
3882 -- Import our template "pr"
3883 import Printf ( pr )
3884
3885 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3886 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3887 -- the argument of "putStrLn".
3888 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3889
3890
3891 {- Printf.hs -}
3892 module Printf where
3893
3894 -- Skeletal printf from the paper.
3895 -- It needs to be in a separate module to the one where
3896 -- you intend to use it.
3897
3898 -- Import some Template Haskell syntax
3899 import Language.Haskell.TH
3900
3901 -- Describe a format string
3902 data Format = D | S | L String
3903
3904 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3905 -- as we are here interested in building our first ever
3906 -- Template Haskell program and not in building printf.
3907 parse :: String -> [Format]
3908 parse s   = [ L s ]
3909
3910 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3911 -- of the format string.  This code will be spliced into
3912 -- the module which calls "pr", at compile time.
3913 gen :: [Format] -> ExpQ
3914 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3915 gen [S]   = [| \s -> s |]
3916 gen [L s] = stringE s
3917
3918 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3919 -- from an input format string.
3920 pr :: String -> ExpQ
3921 pr s      = gen (parse s)
3922 </programlisting>
3923
3924 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3925 </para>
3926 <programlisting>
3927 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3928 </programlisting>
3929
3930 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3931
3932 <programlisting>
3933 $ ./main
3934 Hello
3935 </programlisting>
3936
3937 </sect2>
3938  
3939 </sect1>
3940
3941 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3942
3943 <sect1 id="arrow-notation">
3944 <title>Arrow notation
3945 </title>
3946
3947 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3948 For more details, see
3949 <itemizedlist>
3950
3951 <listitem>
3952 <para>
3953 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3954 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3955 pp67&ndash;111, May 2000.
3956 </para>
3957 </listitem>
3958
3959 <listitem>
3960 <para>
3961 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3962 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3963 </para>
3964 </listitem>
3965
3966 <listitem>
3967 <para>
3968 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3969 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3970 Palgrave, 2003.
3971 </para>
3972 </listitem>
3973
3974 </itemizedlist>
3975 and the arrows web page at
3976 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3977 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3978 notation described in the second of these papers.
3979 What follows is a brief introduction to the notation;
3980 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3981 This notation is translated to ordinary Haskell,
3982 using combinators from the
3983 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3984 module.
3985 </para>
3986
3987 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3988 <screen>
3989 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3990        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3991 </screen>
3992 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3993 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3994 <literal>proc</literal>-expression,
3995 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3996 The syntax of commands is as follows:
3997 <screen>
3998 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3999        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
4000        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
4001 </screen>
4002 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
4003 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
4004 infix operators as for expressions, and
4005 <screen>
4006 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
4007        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
4008        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
4009        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
4010        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
4011        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
4012
4013 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
4014        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
4015        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
4016
4017 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
4018        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
4019        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
4020        |  <replaceable>cmd</replaceable>
4021 </screen>
4022 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
4023 except that the bodies are commands instead of expressions.
4024 </para>
4025
4026 <para>
4027 Commands produce values, but (like monadic computations)
4028 may yield more than one value,
4029 or none, and may do other things as well.
4030 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
4031 using commands.
4032 However the values of expressions, even monadic ones,
4033 are determined by the values of the variables they contain;
4034 this is not necessarily the case for commands.
4035 </para>
4036
4037 <para>
4038 A simple example of the new notation is the expression
4039 <screen>
4040 proc x -> f -&lt; x+1
4041 </screen>
4042 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
4043 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
4044 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
4045 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
4046 It refers to the input to the arrow.
4047 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
4048 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
4049 type and an expression to be fed as input to that arrow.
4050 (The weird look will make more sense later.)
4051 It may be read as analogue of application for arrows.
4052 The above example is equivalent to the Haskell expression
4053 <screen>
4054 arr (\ x -> x+1) >>> f
4055 </screen>
4056 That would make no sense if the expression to the left of
4057 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
4058 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
4059 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
4060 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
4061 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
4062 <screen>
4063 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
4064 </screen>
4065 which is equivalent to
4066 <screen>
4067 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
4068 </screen>
4069 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
4070 class.
4071 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
4072 you may find a monadic formulation more convenient.
4073 </para>
4074
4075 <sect2>
4076 <title>do-notation for commands</title>
4077
4078 <para>
4079 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
4080 For example, you can write
4081 <screen>
4082 proc x -> do
4083         y &lt;- f -&lt; x+1
4084         g -&lt; 2*y
4085         let z = x+y
4086         t &lt;- h -&lt; x*z
4087         returnA -&lt; t+z
4088 </screen>
4089 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
4090 but with commands in place of monadic expressions.
4091 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
4092 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
4093 <literal>y</literal>.
4094 In the next line, the output is discarded.
4095 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
4096 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4097 module as <literal>arr id</literal>.
4098 The above example is treated as an abbreviation for
4099 <screen>
4100 arr (\ x -> (x, x)) >>>
4101         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
4102         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
4103         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
4104         arr snd >>>
4105         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4106         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4107         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4108         returnA
4109 </screen>
4110 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4111 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4112 defined in the
4113 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4114 module, this reduces to
4115 <screen>
4116 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4117         first f >>>
4118         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4119         first g >>>
4120         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4121         first h >>>
4122         arr (\ (t, z) -> t+z)
4123 </screen>
4124 which is what you might have written by hand.
4125 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4126 </para>
4127
4128 <para>
4129 Note that although the above translation suggests that
4130 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4131 monomorphic, the actual translation produces Core,
4132 so polymorphic variables are allowed.
4133 </para>
4134
4135 <para>
4136 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4137 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4138 <programlisting>
4139 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4140 counter = proc reset -> do
4141         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4142                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4143         returnA -&lt; output
4144 </programlisting>
4145 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4146 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4147 </para>
4148
4149 </sect2>
4150
4151 <sect2>
4152 <title>Conditional commands</title>
4153
4154 <para>
4155 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4156 input for an arrow.
4157 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4158 <screen>
4159 proc (x,y) ->
4160         if f x y
4161         then g -&lt; x+1
4162         else h -&lt; y+2
4163 </screen>
4164 which is translated to
4165 <screen>
4166 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4167         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4168 </screen>
4169 Since the translation uses <function>|||</function>,
4170 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4171 </para>
4172
4173 <para>
4174 There are also <literal>case</literal> commands, like
4175 <screen>
4176 case input of
4177     [] -> f -&lt; ()
4178     [x] -> g -&lt; x+1
4179     x1:x2:xs -> do
4180         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4181         ys &lt;- k -&lt; xs
4182         returnA -&lt; y:ys
4183 </screen>
4184 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4185 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4186 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4187 </para>
4188
4189 </sect2>
4190
4191 <sect2>
4192 <title>Defining your own control structures</title>
4193
4194 <para>
4195 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4196 modelled on those for expressions,
4197 for sequencing, value recursion and conditionals.
4198 But suitable combinators,
4199 which you can define in ordinary Haskell,
4200 may also be used to build new commands out of existing ones.
4201 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4202 These environments assign values to the free local variables of the command.
4203 Thus combinators that produce arrows from arrows
4204 may also be used to build commands from commands.
4205 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4206 <programlisting>
4207 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4208 </programlisting>
4209 so we can use it to build commands:
4210 <programlisting>
4211 expr' = proc x -> do
4212                 returnA -&lt; x
4213         &lt;+> do
4214                 symbol Plus -&lt; ()
4215                 y &lt;- term -&lt; ()
4216                 expr' -&lt; x + y
4217         &lt;+> do
4218                 symbol Minus -&lt; ()
4219                 y &lt;- term -&lt; ()
4220                 expr' -&lt; x - y
4221 </programlisting>
4222 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4223 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4224 expression on the previous line.)
4225 This is equivalent to
4226 <programlisting>
4227 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4228         &lt;+> (proc x -> do
4229                 symbol Plus -&lt; ()
4230                 y &lt;- term -&lt; ()
4231                 expr' -&lt; x + y)
4232         &lt;+> (proc x -> do
4233                 symbol Minus -&lt; ()
4234                 y &lt;- term -&lt; ()
4235                 expr' -&lt; x - y)
4236 </programlisting>
4237 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4238 (representing the environment input to the command
4239 and thence to its subcommands)
4240 and satisfy the corresponding naturality property
4241 <screen>
4242 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4243 </screen>
4244 at least for strict <literal>k</literal>.
4245 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4246 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4247 of the whole command,
4248 and also allows the translation to safely trim these environments.
4249 The operator must also not use any variable defined within the current
4250 arrow abstraction.
4251 </para>
4252
4253 <para>
4254 We could define our own operator
4255 <programlisting>
4256 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4257 untilA body cond = proc x ->
4258         if cond x then returnA -&lt; ()
4259         else do
4260                 body -&lt; x
4261                 untilA body cond -&lt; x
4262 </programlisting>
4263 and use it in the same way.
4264 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4265 there is also a more general syntax involving special brackets:
4266 <screen>
4267 proc x -> do
4268         y &lt;- f -&lt; x+1
4269         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4270 </screen>
4271 </para>
4272
4273 </sect2>
4274
4275 <sect2>
4276 <title>Primitive constructs</title>
4277
4278 <para>
4279 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4280 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4281 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4282 exception that occurred to the handler.
4283 Such an operator might have a type
4284 <screen>
4285 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4286 </screen>
4287 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4288 You could then use this with arrow notation by writing a command
4289 <screen>
4290 body `handleA` \ ex -> handler
4291 </screen>
4292 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4293 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4294 and the command <literal>handler</literal>,
4295 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4296 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4297 we are talking about commands, and something different is going on.
4298 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4299 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4300 In all the prior examples, this stack was empty.
4301 In the second argument to <function>handleA</function>,
4302 this stack consists of one value, the value of the exception.
4303 The command form of lambda merely gives this value a name.
4304 </para>
4305
4306 <para>
4307 More concretely,
4308 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4309 So operators like <function>handleA</function> that pass
4310 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4311 by pairing the values with the environment in this way.
4312 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4313 should have the form
4314 <screen>
4315 a (...(e,t1), ... tn) t
4316 </screen>
4317 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4318 (representing the environment)
4319 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4320 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4321 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4322 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4323 <replaceable>t</replaceable>.
4324 However the arrows involved need not be the same.
4325 Here are some more examples of suitable operators:
4326 <screen>
4327 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4328 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4329 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4330 </screen>
4331 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4332 by applying them to ordinary expressions, as in
4333 <screen>
4334 proc x -> do
4335         s &lt;- ...
4336         (|runReader (do { ... })|) s
4337 </screen>
4338 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4339 built using <function>runReader</function>.
4340 </para>
4341
4342 <para>
4343 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4344 the expression versions.
4345 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4346 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4347 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4348 though the results would be somewhat clumsy.
4349 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4350 <programlisting>
4351 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4352 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4353
4354 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4355 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4356 </programlisting>
4357 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4358 <programlisting>
4359 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4360 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4361 </programlisting>
4362 </para>
4363
4364 </sect2>
4365
4366 <sect2>
4367 <title>Differences with the paper</title>
4368
4369 <itemizedlist>
4370
4371 <listitem>
4372 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4373 translations, the implementation provides two forms
4374 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4375 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4376 </para>
4377 </listitem>
4378
4379 <listitem>
4380 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4381 a new <literal>form</literal> keyword.
4382 </para>
4383 </listitem>
4384
4385 </itemizedlist>
4386
4387 </sect2>
4388
4389 <sect2>
4390 <title>Portability</title>
4391
4392 <para>
4393 Although only GHC implements arrow notation directly,
4394 there is also a preprocessor
4395 (available from the 
4396 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4397 that translates arrow notation into Haskell 98
4398 for use with other Haskell systems.
4399 You would still want to check arrow programs with GHC;
4400 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4401 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4402 additional restrictions:
4403 <itemizedlist>
4404
4405 <listitem>
4406 <para>
4407 The module must import
4408 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4409 </para>
4410 </listitem>
4411
4412 <listitem>
4413 <para>
4414 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4415 These would have to go in separate modules.
4416 </para>
4417 </listitem>
4418
4419 <listitem>
4420 <para>
4421 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4422 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4423 </para>
4424 </listitem>
4425
4426 </itemizedlist>
4427 </para>
4428
4429 </sect2>
4430
4431 </sect1>
4432
4433 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4434
4435 <sect1 id="sec-assertions">
4436 <title>Assertions
4437 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4438 </title>
4439
4440 <para>
4441 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4442 could define a function like the following:
4443 </para>
4444
4445 <para>
4446
4447 <programlisting>
4448 assert :: Bool -> a -> a
4449 assert False x = error "assertion failed!"
4450 assert _     x = x
4451 </programlisting>
4452
4453 </para>
4454
4455 <para>
4456 which works, but gives you back a less than useful error message --
4457 an assertion failed, but which and where?
4458 </para>
4459
4460 <para>
4461 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4462 takes a descriptive string to include in the error message and
4463 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4464 the source location where <function>assert</function> was used.
4465 </para>
4466
4467 <para>
4468 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4469 use of <function>assert</function> in the user's source:
4470 </para>
4471
4472 <para>
4473
4474 <programlisting>
4475 kelvinToC :: Double -> Double
4476 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4477 </programlisting>
4478
4479 </para>
4480
4481 <para>
4482 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4483 assertion was made,
4484 </para>
4485
4486 <para>
4487
4488 <programlisting>
4489 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4490 </programlisting>
4491
4492 </para>
4493
4494 <para>
4495 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4496 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4497 can still define and use your own versions of
4498 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4499 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4500 <function>assert</function> in your code.
4501 </para>
4502
4503 <para>
4504 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4505       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4506 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4507 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4508       <option>-fignore-asserts</option>
4509       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4510       </indexterm>.</para>
4511
4512 <para>
4513 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4514 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4515 </para>
4516
4517 </sect1>
4518
4519
4520 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4521
4522   <sect1 id="pragmas">
4523     <title>Pragmas</title>
4524
4525     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4526
4527     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4528     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4529     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4530     of the generated code.</para>
4531
4532     <para>Pragmas all take the form
4533
4534 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4535
4536     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4537     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4538     type of pragma.  Case is ignored in
4539     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4540     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4541     in the following sections; any pragma encountered with an
4542     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4543     ignored.</para>
4544
4545     <sect2 id="deprecated-pragma">
4546       <title>DEPRECATED pragma</title>
4547       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4548       </indexterm>
4549
4550       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4551       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4552       forms.
4553
4554       <itemizedlist>
4555         <listitem>
4556           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4557 <programlisting>
4558    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4559      ...
4560 </programlisting>
4561           <para>When you compile any module that import
4562           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4563           message.</para>
4564         </listitem>
4565
4566         <listitem>
4567           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4568           following top-level declaration:</para>
4569 <programlisting>
4570    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4571 </programlisting>
4572           <para>When you compile any module that imports and uses any
4573           of the specified entities, GHC will print the specified
4574           message.</para>
4575           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4576           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4577           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4578           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4579           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4580           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4581           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4582         </listitem>
4583       </itemizedlist>
4584       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4585       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4586       deprecations are not reported for
4587       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4588       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4589       The latter reduces spurious complaints within a library
4590       in which one module gathers together and re-exports 
4591       the exports of several others.
4592       </para>
4593       <para>You can suppress the warnings with the flag
4594       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4595     </sect2>
4596
4597     <sect2 id="include-pragma">
4598       <title>INCLUDE pragma</title>
4599
4600       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4601         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4602         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4603         compiling via C).  For example:</para>
4604
4605 <programlisting>
4606 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4607 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4608
4609       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4610         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4611         pragma(s).</para>
4612
4613       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4614         to the <option>-#include</option> option (<xref
4615           linkend="options-C-compiler" />), because the
4616         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4617         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4618         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4619         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4620     </sect2>
4621
4622     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4623       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4624
4625       <para>These pragmas control the inlining of function
4626       definitions.</para>
4627
4628       <sect3 id="inline-pragma">
4629         <title>INLINE pragma</title>
4630         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4631
4632         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4633         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4634         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4635         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4636         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4637         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4638         export that unfolding for other modules to use.</para>
4639
4640         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4641         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4642         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4643
4644 <programlisting>
4645 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4646
4647 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4648 {-# INLINE key_function #-}
4649 #endif
4650 </programlisting>
4651
4652         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4653         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4654         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4655
4656         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4657         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4658         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4659         inline it.</para>
4660
4661         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4662         function can be put anywhere its type signature could be
4663         put.</para>
4664
4665         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4666         good idea for the
4667         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4668         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4669         a monad.  For example, in GHC's own
4670         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4671
4672 <programlisting>
4673 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4674 {-# INLINE thenUs #-}
4675 {-# INLINE returnUs #-}
4676 #endif
4677 </programlisting>
4678
4679         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4680         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4681       </sect3>
4682
4683       <sect3 id="noinline-pragma">
4684         <title>NOINLINE pragma</title>
4685         
4686         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4687         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4688
4689         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4690         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4691         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4692         you're very cautious about code size.</para>
4693
4694         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4695         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4696         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4697         inlining, so it should be used if you want your code to be
4698         portable).</para>
4699       </sect3>
4700
4701       <sect3 id="phase-control">
4702         <title>Phase control</title>
4703
4704         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4705         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4706         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4707         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4708         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4709         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4710         sequence of phase numbers for successive runs of the
4711         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4712         phase number, thus:</para>
4713
4714         <itemizedlist>
4715           <listitem>
4716             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4717             and all subsequent phases":
4718 <programlisting>
4719   {-# INLINE [2] f #-}
4720 </programlisting>
4721             </para>
4722           </listitem>
4723
4724           <listitem>
4725             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4726             phases up to, but not including, Phase 3":
4727 <programlisting>
4728   {-# INLINE [~3] g #-}
4729 </programlisting>
4730             </para>
4731           </listitem>
4732
4733           <listitem>
4734             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4735             all phases".</para>
4736           </listitem>
4737         </itemizedlist>
4738
4739         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4740
4741         <itemizedlist>
4742           <listitem>
4743             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4744             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4745             there was no pragma at all":
4746 <programlisting>
4747   {-# NOINLINE [2] f #-}
4748 </programlisting>
4749             </para>
4750           </listitem>
4751
4752           <listitem>
4753             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4754             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4755             there was no pragma":
4756 <programlisting>
4757   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4758 </programlisting>
4759             </para>
4760           </listitem>
4761
4762           <listitem>
4763             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4764             inline this function".</para>
4765           </listitem>
4766         </itemizedlist>
4767
4768         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4769         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4770       </sect3>
4771     </sect2>
4772
4773     <sect2 id="language-pragma">
4774       <title>LANGUAGE pragma</title>
4775
4776       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4777       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
4778
4779       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
4780         It is the intention that all Haskell compilers support the
4781         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
4782         all extensions are supported by all compilers, of
4783         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
4784         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
4785
4786       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
4787
4788 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
4789
4790       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
4791         <ulink
4792           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
4793     </sect2>
4794
4795
4796     <sect2 id="line-pragma">
4797       <title>LINE pragma</title>
4798
4799       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4800       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4801       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4802       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4803       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4804       original code; for example</para>
4805
4806 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
4807
4808       <para>if you'd generated the current file from something called
4809       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4810       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4811       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4812       pragma.</para>
4813     </sect2>
4814
4815     <sect2 id="options-pragma">
4816       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4817       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4818       </indexterm>
4819       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4820       </indexterm>
4821
4822       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4823       additional options that are given to the compiler when compiling
4824       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4825       details.</para>
4826
4827       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4828         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4829     </sect2>
4830
4831     <sect2 id="rules">
4832       <title>RULES pragma</title>
4833
4834       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4835       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4836     </sect2>
4837
4838     <sect2 id="specialize-pragma">
4839       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4840
4841       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4842       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4843       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4844
4845       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4846       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4847       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4848       overloaded function:</para>
4849
4850 <programlisting>
4851   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4852 </programlisting>
4853
4854       <para>If it is heavily used on lists with
4855       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4856       follows:</para>
4857
4858 <programlisting>
4859   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4860 </programlisting>
4861
4862       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4863       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4864
4865       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4866       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4867       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4868       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4869
4870       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
4871         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
4872         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
4873 <programlisting>
4874   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
4875 </programlisting>
4876       is valid if and only if the defintion
4877 <programlisting>
4878   f_spec :: &lt;type&gt;
4879   f_spec = f
4880 </programlisting>
4881       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
4882       for the original function, not its code):
4883 <programlisting>
4884   f :: Eq a => a -> b -> b
4885   {-# SPECIALISE f :: Int -> b -> b #-}
4886
4887   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
4888   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
4889
4890   h :: Eq a => a -> a -> a
4891   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
4892 </programlisting>  
4893 The last of these examples will generate a 
4894 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
4895 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
4896 </para>
4897
4898 <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma can optionally be followed with a
4899 <literal>INLINE</literal> or <literal>NOINLINE</literal> pragma, optionally 
4900 followed by a phase, as described in <xref linkend="inline-noinline-pragma"/>.
4901 The <literal>INLINE</literal> pragma affects the specialised verison of the
4902 function (only), and applies even if the function is recursive.  The motivating
4903 example is this:
4904 <programlisting>
4905 -- A GADT for arrays with type-indexed representation
4906 data Arr e where
4907   ArrInt :: !Int -> ByteArray# -> Arr Int
4908   ArrPair :: !Int -> Arr e1 -> Arr e2 -> Arr (e1, e2)
4909
4910 (!:) :: Arr e -> Int -> e
4911 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr Int -> Int -> Int #-}
4912 {-# SPECIALISE INLINE (!:) :: Arr (a, b) -> Int -> (a, b) #-}
4913 (ArrInt _ ba)     !: (I# i) = I# (indexIntArray# ba i)
4914 (ArrPair _ a1 a2) !: i      = (a1 !: i, a2 !: i)
4915 </programlisting>
4916 Here, <literal>(!:)</literal> is a recursive function that indexes arrays
4917 of type <literal>Arr e</literal>.  Consider a call to  <literal>(!:)</literal>
4918 at type <literal>(Int,Int)</literal>.  The second specialisation will fire, and
4919 the specialised function will be inlined.  It has two calls to
4920 <literal>(!:)</literal>,
4921 both at type <literal>Int</literal>.  Both these calls fire the first
4922 specialisation, whose body is also inlined.  The result is a type-based
4923 unrolling of the indexing function.</para>
4924 <para>Warning: you can make GHC diverge by using <literal>SPECIALISE INLINE</literal>
4925 on an ordinarily-recursive function.</para>
4926
4927       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4928       specialised function for a given type:
4929
4930 <programlisting>
4931 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4932 </programlisting>
4933
4934       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4935       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4936
4937     </sect2>
4938
4939 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4940 <title>SPECIALIZE instance pragma
4941 </title>
4942
4943 <para>
4944 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4945 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4946 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4947
4948 <programlisting>
4949 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4950    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4951    ... usual stuff ...
4952  }
4953 </programlisting>
4954 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4955 of the instance declaration.
4956 </para>
4957 <para>
4958 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4959 of the pragma.
4960 </para>
4961
4962 </sect2>
4963
4964     <sect2 id="unpack-pragma">
4965       <title>UNPACK pragma</title>
4966
4967       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4968       
4969       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4970       that it should unpack the contents of a constructor field into
4971       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4972       example:</para>
4973
4974 <programlisting>
4975 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4976            {-# UNPACK #-} !Float
4977 </programlisting>
4978
4979       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4980       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4981       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4982       floats passed to a non-strict function for example, they will
4983       have to be reboxed (this is done automatically by the
4984       compiler).</para>
4985
4986       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4987       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4988       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4989       often as possible.  For example:</para>
4990
4991 <programlisting>
4992 f :: T -&#62; Float
4993 f (T f1 f2) = f1 + f2
4994 </programlisting>
4995
4996       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4997       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4998       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4999
5000       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
5001       example</para>
5002
5003 <programlisting>
5004 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
5005 </programlisting>
5006
5007       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
5008       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
5009       Multi-level unpacking is also supported:</para>
5010
5011 <programlisting>
5012 data T = T {-# UNPACK #-} !S
5013 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
5014 </programlisting>
5015
5016       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
5017       directly in the <function>T</function> constructor.  The
5018       unpacker can see through newtypes, too.</para>
5019
5020       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
5021       so it might be an idea to check the generated code with
5022       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
5023
5024       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
5025       which essentially has the effect of adding
5026       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
5027       constructor field.</para>
5028     </sect2>
5029
5030 </sect1>
5031
5032 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
5033
5034 <sect1 id="rewrite-rules">
5035 <title>Rewrite rules
5036
5037 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
5038 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
5039 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
5040
5041 <para>
5042 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
5043 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
5044 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
5045 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
5046 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
5047 </para>
5048
5049 <para>
5050 Here is an example:
5051
5052 <programlisting>
5053   {-# RULES
5054         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5055   #-}
5056 </programlisting>
5057
5058 </para>
5059
5060 <sect2>
5061 <title>Syntax</title>
5062
5063 <para>
5064 From a syntactic point of view:
5065
5066 <itemizedlist>
5067 <listitem>
5068
5069 <para>
5070  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
5071 </para>
5072 </listitem>
5073
5074 <listitem>
5075
5076 <para>
5077  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
5078 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
5079 </para>
5080 </listitem>
5081
5082 <listitem>
5083 <para>
5084 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
5085 immediately after the name of the rule.  Thus:
5086 <programlisting>
5087   {-# RULES
5088         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
5089   #-}
5090 </programlisting>
5091 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
5092 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
5093 Phase 2.
5094 </para>
5095 </listitem>
5096
5097
5098 <listitem>
5099
5100 <para>
5101  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
5102 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
5103 enclosing definitions.
5104 </para>
5105 </listitem>
5106
5107 <listitem>
5108
5109 <para>
5110  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
5111 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
5112 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
5113 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
5114 </para>
5115 </listitem>
5116 <listitem>
5117
5118 <para>
5119  A pattern variable may optionally have a type signature.
5120 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
5121 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
5122
5123 <programlisting>
5124 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
5125               foldr k z (build g) = g k z
5126 </programlisting>
5127
5128 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
5129
5130 </para>
5131 </listitem>
5132 <listitem>
5133
5134 <para>
5135 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5136 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5137
5138 <programlisting>
5139 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5140 "wrong2"   forall f.      f True = True
5141 </programlisting>
5142
5143 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5144 in the head.
5145 </para>
5146 </listitem>
5147 <listitem>
5148
5149 <para>
5150  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5151 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5152 </para>
5153 </listitem>
5154 <listitem>
5155
5156 <para>
5157  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5158 </para>
5159 </listitem>
5160
5161 </itemizedlist>
5162
5163 </para>
5164
5165 </sect2>
5166
5167 <sect2>
5168 <title>Semantics</title>
5169
5170 <para>
5171 From a semantic point of view:
5172
5173 <itemizedlist>
5174 <listitem>
5175
5176 <para>
5177 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5178 </para>
5179 </listitem>
5180
5181 <listitem>
5182 <para>
5183  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5184 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5185 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5186 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5187 expression by substituting for the pattern variables.
5188
5189 </para>
5190 </listitem>
5191 <listitem>
5192
5193 <para>
5194  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5195 same type.
5196
5197 </para>
5198 </listitem>
5199 <listitem>
5200
5201 <para>
5202  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5203 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5204 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5205
5206 </para>
5207 </listitem>
5208 <listitem>
5209
5210 <para>
5211  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5212 terminating.  For example:
5213
5214 <programlisting>
5215   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5216 </programlisting>
5217
5218 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5219
5220 </para>
5221 </listitem>
5222 <listitem>
5223
5224 <para>
5225  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5226
5227 </para>
5228 </listitem>
5229 <listitem>
5230 <para>
5231  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5232 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5233 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5234 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5235 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5236 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5237 </para>
5238
5239 <para>
5240 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5241 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5242 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5243 </para>
5244 </listitem>
5245 <listitem>
5246
5247 <para>
5248  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5249 For example, consider:
5250
5251 <programlisting>
5252   let s = map f
5253       t = map g
5254   in
5255   s (t xs)
5256 </programlisting>
5257
5258 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5259 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5260 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5261 not be substituted, and the rule would not fire.
5262
5263 </para>
5264 </listitem>
5265 <listitem>
5266
5267 <para>
5268  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5269 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5270 for something you can't match against it (given the simple minded
5271 matching).  So if you write the rule
5272
5273 <programlisting>
5274         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5275 </programlisting>
5276
5277 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5278 It will only match something written with explicit use of ".".
5279 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5280
5281 <programlisting>
5282 wibble f g xs
5283 </programlisting>
5284
5285 where <function>wibble</function> is defined:
5286
5287 <programlisting>
5288 wibble f g = map f . map g
5289 </programlisting>
5290
5291 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5292
5293 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5294 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5295 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5296
5297 </para>
5298 </listitem>
5299 <listitem>
5300
5301 <para>
5302  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5303 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5304 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5305 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5306 declarations.
5307 </para>
5308 </listitem>
5309
5310 </itemizedlist>
5311
5312 </para>
5313
5314 </sect2>
5315
5316 <sect2>
5317 <title>List fusion</title>
5318
5319 <para>
5320 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5321 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5322 intermediate list should be eliminated entirely.
5323 </para>
5324
5325 <para>
5326 The following are good producers:
5327
5328 <itemizedlist>
5329 <listitem>
5330
5331 <para>
5332  List comprehensions
5333 </para>
5334 </listitem>
5335 <listitem>
5336
5337 <para>
5338  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5339 </para>
5340 </listitem>
5341 <listitem>
5342
5343 <para>
5344  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5345 </para>
5346 </listitem>
5347 <listitem>
5348
5349 <para>
5350  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5351 </para>
5352 </listitem>
5353 <listitem>
5354
5355 <para>
5356  <function>++</function>
5357 </para>
5358 </listitem>
5359
5360 <listitem>
5361 <para>
5362  <function>map</function>
5363 </para>
5364 </listitem>
5365
5366 <listitem>
5367 <para>
5368  <function>filter</function>
5369 </para>
5370 </listitem>
5371 <listitem>
5372
5373 <para>
5374  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5375 </para>
5376 </listitem>
5377 <listitem>
5378
5379 <para>
5380  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5381 </para>
5382 </listitem>
5383
5384 </itemizedlist>
5385
5386 </para>
5387
5388 <para>
5389 The following are good consumers:
5390
5391 <itemizedlist>
5392 <listitem>
5393
5394 <para>
5395  List comprehensions
5396 </para>
5397 </listitem>
5398 <listitem>
5399
5400 <para>
5401  <function>array</function> (on its second argument)
5402 </para>
5403 </listitem>
5404 <listitem>
5405
5406 <para>
5407  <function>length</function>
5408 </para>
5409 </listitem>
5410 <listitem>
5411
5412 <para>
5413  <function>++</function> (on its first argument)
5414 </para>
5415 </listitem>
5416
5417 <listitem>
5418 <para>
5419  <function>foldr</function>
5420 </para>
5421 </listitem>
5422
5423 <listitem>
5424 <para>
5425  <function>map</function>
5426 </para>
5427 </listitem>
5428 <listitem>
5429
5430 <para>
5431  <function>filter</function>
5432 </para>
5433 </listitem>
5434 <listitem>
5435
5436 <para>
5437  <function>concat</function>
5438 </para>
5439 </listitem>
5440 <listitem>
5441
5442 <para>
5443  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5444 </para>
5445 </listitem>
5446 <listitem>
5447
5448 <para>
5449  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5450 will fuse with one but not the other)
5451 </para>
5452 </listitem>
5453 <listitem>
5454
5455 <para>
5456  <function>partition</function>
5457 </para>
5458 </listitem>
5459 <listitem>
5460
5461 <para>
5462  <function>head</function>
5463 </para>
5464 </listitem>
5465 <listitem>
5466
5467 <para>
5468  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5469 </para>
5470 </listitem>
5471 <listitem>
5472
5473 <para>
5474  <function>sequence&lowbar;</function>
5475 </para>
5476 </listitem>
5477 <listitem>
5478
5479 <para>
5480  <function>msum</function>
5481 </para>
5482 </listitem>
5483 <listitem>
5484
5485 <para>
5486  <function>sortBy</function>
5487 </para>
5488 </listitem>
5489
5490 </itemizedlist>
5491
5492 </para>
5493
5494  <para>
5495 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5496
5497 <programlisting>
5498 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5499 </programlisting>
5500
5501 </para>
5502
5503 <para>
5504 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5505 a lot which are not included, please tell us.
5506 </para>
5507
5508 <para>
5509 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5510 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5511 </para>
5512
5513 </sect2>
5514
5515 <sect2 id="rule-spec">
5516 <title>Specialisation
5517 </title>
5518
5519 <para>
5520 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5521 present in earlier versions of GHC.
5522 For example, suppose that:
5523
5524 <programlisting>
5525 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5526 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5527 </programlisting>
5528
5529 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5530 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5531 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5532 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5533 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5534 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5535 It used to be possible to write
5536
5537 <programlisting>
5538 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5539 </programlisting>
5540
5541 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5542
5543 <programlisting>
5544 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5545 </programlisting>
5546
5547 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5548 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5549 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5550 What is more, this rule does not need to be in the same
5551 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5552 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5553 have an original definition available to specialise).
5554 </para>
5555
5556 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5557 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5558 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5559
5560 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5561 specialisation will Win Big:
5562
5563 <programlisting>
5564 toDouble :: Real a => a -> Double
5565 toDouble = fromRational . toRational
5566
5567 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5568 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5569 </programlisting>
5570
5571 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5572 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5573 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5574 comparison.
5575 </para>
5576
5577 </sect2>
5578
5579 <sect2>
5580 <title>Controlling what's going on</title>
5581
5582 <para>
5583
5584 <itemizedlist>
5585 <listitem>
5586
5587 <para>
5588  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5589 </para>
5590 </listitem>
5591 <listitem>
5592
5593 <para>
5594  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5595 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5596 </para>
5597 </listitem>
5598 <listitem>
5599
5600 <para>
5601  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5602
5603 <programlisting>
5604         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5605         {-# INLINE build #-}
5606         build g = g (:) []
5607 </programlisting>
5608
5609 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5610 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5611 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5612 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5613
5614 </para>
5615 </listitem>
5616 <listitem>
5617
5618 <para>
5619  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5620 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5621 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5622 </para>
5623 </listitem>
5624
5625 </itemizedlist>
5626
5627 </para>
5628
5629 </sect2>
5630
5631 <sect2 id="core-pragma">
5632   <title>CORE pragma</title>
5633
5634   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5635   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5636   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5637
5638 <para>
5639   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5640   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5641   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5642   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5643   literal as an argument.  The following function definition shows an
5644   example:
5645
5646 <programlisting>
5647 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5648 </programlisting>
5649
5650   Semantically, this is equivalent to:
5651
5652 <programlisting>
5653 g x = show x
5654 </programlisting>
5655 </para>
5656
5657 <para>
5658   However, when external for is generated (via
5659   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5660   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5661   The core function declaration for <function>f</function> is:
5662 </para>
5663
5664 <programlisting>
5665   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5666                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5667     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5668         (%note "foo"
5669          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5670            {GHCziShow.ZCDShow
5671             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5672                    a ->
5673                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5674 r)
5675             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5676             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5677                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5678 r) ->
5679               tpl2})
5680         (%note "foo"
5681          eta);
5682 </programlisting>
5683
5684 <para>
5685   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5686   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5687   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5688   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5689   <varname>x</varname>).
5690 </para>
5691
5692 </sect2>
5693
5694 </sect1>
5695
5696 <sect1 id="generic-classes">
5697 <title>Generic classes</title>
5698
5699     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5700     GHC 5.02).</para>
5701
5702 <para>
5703 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5704 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5705 An example will give the idea:
5706 </para>
5707
5708 <programlisting>
5709   import Generics
5710
5711   class Bin a where
5712     toBin   :: a -> [Int]
5713     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5714   
5715     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5716     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5717     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5718     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5719   
5720     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5721     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5722     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5723     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5724                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5725 </programlisting>
5726 <para>
5727 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5728 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5729 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5730 </para>
5731 <programlisting>
5732   data Unit    = Unit
5733   data a :+: b = Inl a | Inr b
5734   data a :*: b = a :*: b
5735 </programlisting>
5736 <para>
5737 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5738 <programlisting>
5739   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5740   instance Bin a => Bin [a]
5741 </programlisting>
5742 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5743 where clause and over-ride whichever methods you please.
5744 </para>
5745
5746     <sect2>
5747       <title> Using generics </title>
5748       <para>To use generics you need to</para>
5749       <itemizedlist>
5750         <listitem>
5751           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5752                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5753                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5754                 available.  </para>
5755         </listitem>
5756         <listitem>
5757           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5758           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5759           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5760           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5761           don't need this import if you don't mention these types
5762           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5763           declarations.)</para>
5764         </listitem>
5765       </itemizedlist>
5766     </sect2>
5767
5768 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5769 <para>
5770 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5771 can be written infix (indeed, you can now use
5772 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5773 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5774 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5775 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5776 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5777 anticipate wanting).
5778 </para>
5779 </sect2>
5780
5781 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5782 <para>
5783 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5784 is one that is defined using type patterns as above.
5785 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5786 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5787 generic default method.
5788 </para>
5789
5790 <para>
5791 Restrictions:
5792 <itemizedlist>
5793 <listitem>
5794 <para>
5795 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5796 field labels.
5797 </para>
5798 </listitem>
5799
5800 <listitem>
5801 <para>
5802 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5803 multi-parameter class.
5804 </para>
5805 </listitem>
5806
5807 <listitem>
5808 <para>
5809 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5810 without.  So this is illegal:
5811 <programlisting>
5812   class Foo a where
5813     op :: a -> (a, Bool)
5814     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5815     op x               = (x,    False)
5816 </programlisting>
5817 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5818 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5819 </para>
5820 </listitem>
5821
5822 <listitem>
5823 <para>
5824 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5825 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:
5826 <programlisting>
5827   class Foo a where
5828     op :: a -> Bool
5829     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5830     ...
5831 </programlisting>
5832 </para>
5833 </listitem>
5834
5835 <listitem>
5836 <para>
5837 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5838 <programlisting>
5839        a :+: b
5840        a :*: b
5841        Unit
5842 </programlisting>
5843 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5844 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5845 must use the same type variables.  So this is illegal:
5846 <programlisting>
5847   class Foo a where
5848     op :: a -> Bool
5849     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5850     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5851 </programlisting>
5852 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5853 So this too is illegal:
5854 <programlisting>
5855   class Foo a where
5856     op1 :: a -> Bool
5857     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5858
5859     op2 :: a -> Bool
5860     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5861 </programlisting>
5862 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5863 into a single generic instance declaration.)
5864 </para>
5865 </listitem>
5866
5867 <listitem>
5868 <para>
5869 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5870 </para>
5871 </listitem>
5872
5873 <listitem>
5874 <para>
5875 The type for a generic method can be built only from:
5876   <itemizedlist>
5877   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5878   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5879   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5880   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5881   </itemizedlist>
5882 Here are some example type signatures for generic methods:
5883 <programlisting>
5884     op1 :: a -> Bool
5885     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5886     op3 :: [Int] -> a -> a
5887     op4 :: [a] -> Bool
5888 </programlisting>
5889 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5890 inside a list.  
5891 </para>
5892 <para>
5893 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5894 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5895 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5896 to the ones that are allowed.</para>
5897 </listitem>
5898
5899 <listitem>
5900 <para>
5901 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5902 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5903 do so if
5904   <itemizedlist>
5905   <listitem>
5906   <para>
5907   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5908   </para>
5909   </listitem>
5910   <listitem>
5911   <para>
5912   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5913   </para>
5914   </listitem>
5915   </itemizedlist>
5916 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5917 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5918 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5919 </para>
5920 </listitem>
5921
5922 </itemizedlist>
5923 </para>
5924
5925 <para>
5926 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5927 what the compiler does with generic declarations.
5928 </para>
5929
5930 </sect2>
5931
5932 <sect2> <title> Another example </title>
5933 <para>
5934 Just to finish with, here's another example I rather like:
5935 <programlisting>
5936   class Tag a where
5937     nCons :: a -> Int
5938     nCons {| Unit |}    _ = 1
5939     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5940     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5941   
5942     tag :: a -> Int
5943     tag {| Unit |}    _       = 1
5944     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5945     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5946     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5947 </programlisting>
5948 </para>
5949 </sect2>
5950 </sect1>
5951
5952
5953
5954 <!-- Emacs stuff:
5955      ;;; Local Variables: ***
5956      ;;; mode: xml ***
5957      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5958      ;;; End: ***
5959  -->
5960