beec0c8000d57f5dee9424da5cf108ba419aa78b
[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><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
77         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
78         <listitem>
79           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
80           Haskell 98 described in <xref
81           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
82           noted. </para>
83
84           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
85           types), <literal>mdo</literal>.</para>
86
87           <para>Other syntax stolen:
88               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
89               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
90               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
91               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
92               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
94               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
95               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
96         </listitem>
97       </varlistentry>
98
99       <varlistentry>
100         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
101         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
102         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
103         <listitem>
104           <para>This option enables the language extension defined in the
105           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
106           syntax of previous versions of the FFI for backwards
107           compatibility.</para> 
108
109           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
110         </listitem>
111       </varlistentry>
112
113       <varlistentry>
114         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
115         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
116         <listitem>
117           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
118           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
119           flag. </para>
120         </listitem>
121       </varlistentry>
122
123       <varlistentry>
124         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
125         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
126         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
127         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
128         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
129         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
130         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
131         <listitem>
132           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
133           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
134         </listitem>
135       </varlistentry>
136
137       <varlistentry>
138         <term><option>-finline-phase</option></term>
139         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
140         <listitem>
141           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
142           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
143         </listitem>
144       </varlistentry>
145
146       <varlistentry>
147         <term><option>-farrows</option></term>
148         <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
149         <listitem>
150           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
151           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
152
153           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
154           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
155           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
156           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
157
158           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
159           <literal>|)</literal>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term><option>-fgenerics</option></term>
165         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
166         <listitem>
167           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
168           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
169         </listitem>
170       </varlistentry>
171
172       <varlistentry>
173         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
174         <listitem>
175           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
176           option</primary></indexterm> GHC normally imports
177           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
178           rather it didn't, then give it a
179           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
180           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
181           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
182           namespace is flat, and you must not conflict with any
183           Prelude module.)</para>
184
185           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
186           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
187           Prelude types and values, as specified by the Haskell
188           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
189           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
190           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
191           translation for list comprehensions continues to use
192           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
193
194           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
195           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
196           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
197         </listitem>
198       </varlistentry>
199
200       <varlistentry>
201         <term><option>-fth</option></term>
202         <listitem>
203           <para>Enables Template Haskell (see <xref
204           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
205           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
206
207           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
208           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
209           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
210           <literal>$(</literal>,
211           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
212         </listitem>
213       </varlistentry>
214
215       <varlistentry>
216         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
217         <listitem>
218           <para>Enables implicit parameters (see <xref
219           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
220           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
221
222           <para>Syntax stolen:
223           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
224           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
225         </listitem>
226       </varlistentry>
227
228     </variablelist>
229   </sect1>
230
231 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
232 <!--    included from primitives.sgml  -->
233 <!-- &primitives; -->
234 <sect1 id="primitives">
235   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
236
237 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
238 While you really can use this stuff to write fast code,
239   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
240   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
241   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
242   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
243   about it.</para>
244
245 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
246 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
247 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
248 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
249
250 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
251 work over those types, is held in the file
252 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt</filename>.
253 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
254 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
255
256 <para> Indeed,
257 the result of such processing is part of the description of the 
258  <ulink
259       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
260          Core language</ulink>.
261 So that document is a good place to look for a type-set version.
262 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
263 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
264 we could include the results here in the User Guide.</para>
265
266 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
267   
268 <sect2 id="glasgow-unboxed">
269 <title>Unboxed types
270 </title>
271
272 <para>
273 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
274 </para>
275
276 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
277 that values of that type are represented by a pointer to a heap
278 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
279 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
280 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
281 allocation are involved.
282 </para>
283
284 <para>
285 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
286 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
287 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
288 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
289 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
290 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
291 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
292 know and love&mdash;usually one instruction.
293 </para>
294
295 <para>
296 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
297 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
298 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
299 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
300 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
301 </para>
302
303 <para>
304 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
305 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
306 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
307 a primitive value might be represented by a pointer to a
308 heap-allocated object.  Examples include
309 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
310 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
311 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
312 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
313 represents a primitive value, then it really does point to that value:
314 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
315 other end of the pointer than the primitive value.
316 </para>
317
318 <para>
319 There are some restrictions on the use of primitive types, the main
320 one being that you can't pass a primitive value to a polymorphic
321 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
322 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
323 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
324 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
325 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
326 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
327 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
328 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
329 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
330 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
331 </para>
332
333 <para>
334 Nevertheless, A numerically-intensive program using unboxed types can
335 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
336 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
337 </para>
338
339 </sect2>
340
341 <sect2 id="unboxed-tuples">
342 <title>Unboxed Tuples
343 </title>
344
345 <para>
346 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
347 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
348 unboxed tuple looks like this:
349 </para>
350
351 <para>
352
353 <programlisting>
354 (# e_1, ..., e_n #)
355 </programlisting>
356
357 </para>
358
359 <para>
360 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
361 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
362 the same.
363 </para>
364
365 <para>
366 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
367 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
368 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
369 components are put directly into registers or on the stack; the
370 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
371 of the primitive operations listed in this section return unboxed
372 tuples.
373 </para>
374
375 <para>
376 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
377 </para>
378
379 <para>
380
381 <itemizedlist>
382 <listitem>
383
384 <para>
385  Unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
386 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
387 structures or passed to polymorphic functions.
388
389 </para>
390 </listitem>
391 <listitem>
392
393 <para>
394  Unboxed tuples may only be constructed as the direct result of
395 a function, and may only be deconstructed with a <literal>case</literal> expression.
396 eg. the following are valid:
397
398
399 <programlisting>
400 f x y = (# x+1, y-1 #)
401 g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
402 </programlisting>
403
404
405 but the following are invalid:
406
407
408 <programlisting>
409 f x y = g (# x, y #)
410 g (# x, y #) = x + y
411 </programlisting>
412
413
414 </para>
415 </listitem>
416 <listitem>
417
418 <para>
419  No variable can have an unboxed tuple type.  This is illegal:
420
421
422 <programlisting>
423 f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
424 f x = x
425 </programlisting>
426
427
428 because <literal>x</literal> has an unboxed tuple type.
429
430 </para>
431 </listitem>
432
433 </itemizedlist>
434
435 </para>
436
437 <para>
438 Note: we may relax some of these restrictions in the future.
439 </para>
440
441 <para>
442 The <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
443 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
444 </para>
445
446 </sect2>
447 </sect1>
448
449
450 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
451
452 <sect1 id="syntax-extns">
453 <title>Syntactic extensions</title>
454  
455     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
456
457     <sect2 id="hierarchical-modules">
458       <title>Hierarchical Modules</title>
459
460       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
461       names: a module name is allowed to contain a dot
462       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
463       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
464       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
465       more flexible hierarchy of modules.</para>
466
467       <para>This extension has very little impact on the language
468       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
469       qualified, so you can just think of the fully qualified module
470       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
471       means that the full module name must be given after the
472       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
473       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
474       begin</para>
475
476 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
477
478
479       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
480       keyword to save some typing when using qualified names with
481       hierarchical modules.  For example:</para>
482
483 <programlisting>
484 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
485 </programlisting>
486
487       <para>For details on how GHC searches for source and interface
488       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
489       linkend="search-path"/>.</para>
490
491       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
492       hierarchically; see the accompanying library documentation.
493       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
494       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
495       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
496       current status of that project.  For more details, see <ulink
497       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
498       Libraries</ulink>.</para>
499
500     </sect2>
501
502     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
503
504 <sect2 id="pattern-guards">
505 <title>Pattern guards</title>
506
507 <para>
508 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
509 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.)
510 </para>
511
512 <para>
513 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
514 lookup operation:
515
516 <programlisting>
517 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
518 </programlisting>
519
520 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
521 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
522 </para>
523
524 <programlisting>
525 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
526 | otherwise  = var1 + var2
527 where
528   m1 = lookup env var1
529   m2 = lookup env var2
530   ok1 = maybeToBool m1
531   ok2 = maybeToBool m2
532   val1 = expectJust m1
533   val2 = expectJust m2
534 </programlisting>
535
536 <para>
537 The auxiliary functions are 
538 </para>
539
540 <programlisting>
541 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
542 maybeToBool (Just x) = True
543 maybeToBool Nothing  = False
544
545 expectJust :: Maybe a -&gt; a
546 expectJust (Just x) = x
547 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
548 </programlisting>
549
550 <para>
551 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
552 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
553 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
554 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
555 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
556 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
557 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
558 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
559 </para>
560
561 <para>
562 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
563 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
564 to write clunky would be to use case expressions:
565 </para>
566
567 <programlisting>
568 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
569   Nothing -&gt; fail
570   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
571     Nothing -&gt; fail
572     Just val2 -&gt; val1 + val2
573 where
574   fail = val1 + val2
575 </programlisting>
576
577 <para>
578 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
579 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
580 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
581 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
582 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
583 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
584 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
585 tends to become more and more indented. 
586 </para>
587
588 <para>
589 Here is how I would write clunky:
590 </para>
591
592 <programlisting>
593 clunky env var1 var1
594   | Just val1 &lt;- lookup env var1
595   , Just val2 &lt;- lookup env var2
596   = val1 + val2
597 ...other equations for clunky...
598 </programlisting>
599
600 <para>
601 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
602 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
603 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
604 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
605 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
606 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
607 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
608 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
609 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
610 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
611 </para>
612
613 <para>
614 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
615 with among the pattern guards.  For example:
616 </para>
617
618 <programlisting>
619 f x | [y] &lt;- x
620     , y > 3
621     , Just z &lt;- h y
622     = ...
623 </programlisting>
624
625 <para>
626 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
627 qualifier list has just one element, a boolean expression.
628 </para>
629 </sect2>
630
631     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
632
633 <sect2 id="mdo-notation">
634 <title>The recursive do-notation
635 </title>
636
637 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
638 "A recursive do for Haskell",
639 Levent Erkok, John Launchbury",
640 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
641 </para>
642 <para>
643 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
644 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
645 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
646 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
647 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
648 </para>
649 <para>
650 Here is a simple (yet contrived) example:
651 </para>
652 <programlisting>
653 import Control.Monad.Fix
654
655 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
656                return xs
657 </programlisting>
658 <para>
659 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
660 </para>
661
662 <para>
663 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
664 </para>
665 <programlisting>
666 class Monad m => MonadFix m where
667    mfix :: (a -> m a) -> m a
668 </programlisting>
669 <para>
670 The function <literal>mfix</literal>
671 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
672 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
673 For details, see the above mentioned reference.
674 </para>
675 <para>
676 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
677 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
678 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
679 </para>
680 <para>
681 There are three important points in using the recursive-do notation:
682 <itemizedlist>
683 <listitem><para>
684 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
685 than <literal>do</literal>).
686 </para></listitem>
687
688 <listitem><para>
689 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
690 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
691 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
692 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
693 </para></listitem>
694
695 <listitem><para>
696 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
697 </para></listitem>
698 </itemizedlist>
699 </para>
700
701 <para>
702 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
703 contains up to date information on recursive monadic bindings.
704 </para>
705
706 <para>
707 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
708 of the existing documents) used the name
709 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
710 This name is not supported by GHC.
711 </para>
712
713 </sect2>
714
715
716    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
717
718   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
719     <title>Parallel List Comprehensions</title>
720     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
721     </indexterm>
722     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
723     </indexterm>
724
725     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
726     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
727     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
728     extend this to include the zipWith family.</para>
729
730     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
731     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
732     example, the following zips together two lists:</para>
733
734 <programlisting>
735    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
736 </programlisting>
737
738     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
739     zip, in that the resulting list will have the same length as the
740     shortest branch.</para>
741
742     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
743     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
744
745     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
746
747 <programlisting>
748    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
749        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
750        ... 
751    ] 
752 </programlisting>
753
754     <para>This will be translated to: </para>
755
756 <programlisting>
757    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
758                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
759                                          ... 
760    ] 
761 </programlisting>
762
763     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
764     branches.</para>
765
766   </sect2>
767
768 <sect2 id="rebindable-syntax">
769 <title>Rebindable syntax</title>
770
771
772       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
773       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
774       with a home-grown version, for example.</para>
775
776             <para>You may want to define your own numeric class
777             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
778             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
779             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
780             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
781             the following pieces of built-in syntax to refer to
782             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
783             versions:</para>
784
785             <itemizedlist>
786               <listitem>
787                 <para>Integer and fractional literals mean
788                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
789                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
790                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
791                 patterns. </para>
792                 <para>However, the standard Prelude <literal>Eq</literal> class
793                 is still used for the equality test necessary for literal patterns.</para>
794               </listitem>
795
796               <listitem>
797                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
798                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
799                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
800               </listitem>
801
802               <listitem>
803                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
804                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
805                 but the necessary subtraction uses whatever
806                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
807                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
808               </listitem>
809
810               <listitem>
811           <para>"Do" notation is translated using whatever
812               functions <literal>(>>=)</literal>,
813               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
814               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
815               versions).  List comprehensions, and parallel array
816               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
817             </itemizedlist>
818
819              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
820              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
821              must have the appropriate types, namely:
822              <screen>
823                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
824                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
825                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
826                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
827                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
828                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
829                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
830                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
831              </screen>
832              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
833              is up to you.)
834              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
835              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
836              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
837
838 </sect2>
839 </sect1>
840
841
842 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
843 <sect1 id="type-extensions">
844 <title>Type system extensions</title>
845
846
847 <sect2>
848 <title>Data types and type synonyms</title>
849
850 <sect3 id="nullary-types">
851 <title>Data types with no constructors</title>
852
853 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
854 a data type with no constructors.  For example:</para>
855
856 <programlisting>
857   data S      -- S :: *
858   data T a    -- T :: * -> *
859 </programlisting>
860
861 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
862 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
863 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
864 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
865
866 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
867 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
868 </sect3>
869
870 <sect3 id="infix-tycons">
871 <title>Infix type constructors</title>
872
873 <para>
874 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
875 like expressions.  More specifically:
876 <itemizedlist>
877 <listitem><para>
878   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
879   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
880   </para></listitem>
881 <listitem><para>
882   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
883   </para></listitem>
884 <listitem><para>
885   Back-quotes work
886   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
887   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
888   </para></listitem>
889 <listitem><para>
890   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
891   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
892   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
893 <screen>
894   infixl 7 T, :*:
895 </screen>
896   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
897   and similarly for <literal>:*:</literal>.
898   <literal>Int `a` Bool</literal>.
899   </para></listitem>
900 <listitem><para>
901   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
902   </para></listitem>
903 <listitem><para>
904   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
905 <screen>
906   data a :*: b = Foo a b
907   type a :+: b = Either a b
908 </screen>
909   </para></listitem>
910 <listitem><para>
911   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
912   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
913   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
914   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
915   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
916   lists.  So for now we just exclude them.
917   </para></listitem>
918
919 </itemizedlist>
920 </para>
921 </sect3>
922
923 <sect3 id="type-synonyms">
924 <title>Liberalised type synonyms</title>
925
926 <para>
927 Type synonmys are like macros at the type level, and
928 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
929 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
930 <itemizedlist>
931 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
932 in a type synonym, thus:
933 <programlisting>
934   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
935
936   f :: Discard a
937   f x y = (x, show y)
938
939   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
940   g f = f Int True
941 </programlisting>
942 </para>
943 </listitem>
944
945 <listitem><para>
946 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
947 <programlisting>
948   type Pr = (# Int, Int #)
949
950   h :: Int -> Pr
951   h x = (# x, x #)
952 </programlisting>
953 </para></listitem>
954
955 <listitem><para>
956 You can apply a type synonym to a forall type:
957 <programlisting>
958   type Foo a = a -> a -> Bool
959  
960   f :: Foo (forall b. b->b)
961 </programlisting>
962 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
963 <programlisting>
964   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
965 </programlisting>
966 </para></listitem>
967
968 <listitem><para>
969 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
970 <programlisting>
971   type Generic i o = forall x. i x -> o x
972   type Id x = x
973   
974   foo :: Generic Id []
975 </programlisting>
976 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
977 <programlisting>
978   foo :: forall x. x -> [x]
979 </programlisting>
980 </para></listitem>
981
982 </itemizedlist>
983 </para>
984
985 <para>
986 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
987 could be changed.)
988 </para>
989 <para>
990 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
991 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
992 <itemizedlist>
993 <listitem><para>
994 Type constructor applied to a type involving for-alls.
995 </para></listitem>
996 <listitem><para>
997 Unboxed tuple on left of an arrow.
998 </para></listitem>
999 <listitem><para>
1000 Partially-applied type synonym.
1001 </para></listitem>
1002 </itemizedlist>
1003 So, for example,
1004 this will be rejected:
1005 <programlisting>
1006   type Pr = (# Int, Int #)
1007
1008   h :: Pr -> Int
1009   h x = ...
1010 </programlisting>
1011 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1012 </para>
1013 </sect3>
1014
1015
1016 <sect3 id="existential-quantification">
1017 <title>Existentially quantified data constructors
1018 </title>
1019
1020 <para>
1021 The idea of using existential quantification in data type declarations
1022 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1023 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1024 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1025 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1026 </para>
1027
1028 <para>
1029
1030 <programlisting>
1031   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1032            | Nil
1033 </programlisting>
1034
1035 </para>
1036
1037 <para>
1038 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1039 </para>
1040
1041 <para>
1042
1043 <programlisting>
1044   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1045   Nil   :: Foo
1046 </programlisting>
1047
1048 </para>
1049
1050 <para>
1051 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1052 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1053 For example, the following expression is fine:
1054 </para>
1055
1056 <para>
1057
1058 <programlisting>
1059   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1060 </programlisting>
1061
1062 </para>
1063
1064 <para>
1065 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1066 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1067 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1068 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1069 </para>
1070
1071 <para>
1072 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1073 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1074 </para>
1075
1076 <para>
1077
1078 <programlisting>
1079   f (MkFoo val fn) = ???
1080 </programlisting>
1081
1082 </para>
1083
1084 <para>
1085 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1086 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1087 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1088 </para>
1089
1090 <para>
1091
1092 <programlisting>
1093   f :: Foo -> Bool
1094   f (MkFoo val fn) = fn val
1095 </programlisting>
1096
1097 </para>
1098
1099 <para>
1100 What this allows us to do is to package heterogenous values
1101 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1102 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1103 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1104 </para>
1105
1106 <sect4 id="existential">
1107 <title>Why existential?
1108 </title>
1109
1110 <para>
1111 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1112 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1113 </para>
1114
1115 <para>
1116
1117 <programlisting>
1118   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1119 </programlisting>
1120
1121 </para>
1122
1123 <para>
1124 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1125 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1126 adding a new existential quantification construct.
1127 </para>
1128
1129 </sect4>
1130
1131 <sect4>
1132 <title>Type classes</title>
1133
1134 <para>
1135 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1136 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1137 </para>
1138
1139 <para>
1140
1141 <programlisting>
1142 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1143          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1144 </programlisting>
1145
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149 The two constructors have the types you'd expect:
1150 </para>
1151
1152 <para>
1153
1154 <programlisting>
1155 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1156 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1157 </programlisting>
1158
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1163 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1164 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1165 So this program is legal:
1166 </para>
1167
1168 <para>
1169
1170 <programlisting>
1171   f :: Baz -> String
1172   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1173                | otherwise = "No"
1174   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1175 </programlisting>
1176
1177 </para>
1178
1179 <para>
1180 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1181 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1182 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1183 extract it on pattern matching.
1184 </para>
1185
1186 <para>
1187 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1188 universal quantification earlier.
1189 </para>
1190
1191 </sect4>
1192
1193 <sect4>
1194 <title>Restrictions</title>
1195
1196 <para>
1197 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1198 constructors can be use.
1199 </para>
1200
1201 <para>
1202
1203 <itemizedlist>
1204 <listitem>
1205
1206 <para>
1207  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1208 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1209 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1210 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1211
1212
1213 <programlisting>
1214 f1 (MkFoo a f) = a
1215 </programlisting>
1216
1217
1218 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1219 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1220 ask what type <function>f1</function> has:
1221
1222
1223 <programlisting>
1224   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1225 </programlisting>
1226
1227
1228 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1229 this:
1230
1231
1232 <programlisting>
1233   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1234 </programlisting>
1235
1236
1237 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1238
1239
1240 <programlisting>
1241   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1242 </programlisting>
1243
1244
1245 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1246 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1247 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1248
1249
1250 </para>
1251 </listitem>
1252 <listitem>
1253
1254 <para>
1255 You can't pattern-match on an existentially quantified
1256 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1257 bindings. So this is illegal:
1258
1259
1260 <programlisting>
1261   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1262 </programlisting>
1263
1264 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1265
1266 <programlisting>
1267   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1268 </programlisting>
1269
1270 In general, you can only pattern-match
1271 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1272 in the patterns of a function definition.
1273
1274 The reason for this restriction is really an implementation one.
1275 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1276 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1277 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1278 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1279 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1280 annoying it is.
1281
1282 </para>
1283 </listitem>
1284 <listitem>
1285
1286 <para>
1287 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1288 declarations.  So this is illegal:
1289
1290
1291 <programlisting>
1292   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1293 </programlisting>
1294
1295
1296 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1297 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1298 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1299 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1300 You can get just the same efficiency and effect by using
1301 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1302 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1303 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1304 because the <literal>data</literal> version does carry an
1305 implementation cost, but single-field existentially quantified
1306 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1307 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1308 are convincing reasons to change it.
1309
1310
1311 </para>
1312 </listitem>
1313 <listitem>
1314
1315 <para>
1316  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1317 data type with existentially quantified data constructors.
1318
1319 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1320
1321 <programlisting>
1322 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1323 </programlisting>
1324
1325 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1326 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1327
1328 <programlisting>
1329 instance Eq T where
1330   (MkT a) == (MkT b) = ???
1331 </programlisting>
1332
1333 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1334 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1335 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1336 declarations.  Define your own instances!
1337 </para>
1338 </listitem>
1339
1340 </itemizedlist>
1341
1342 </para>
1343
1344 </sect4>
1345 </sect3>
1346
1347 </sect2>
1348
1349
1350
1351 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1352 <title>Class declarations</title>
1353
1354 <para>
1355 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
1356 classes.  There's lots of background in the paper <ulink
1357 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
1358 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1359 Jones, Erik Meijer).
1360 </para>
1361 <para>
1362 There are the following constraints on class declarations:
1363 <orderedlist>
1364 <listitem>
1365
1366 <para>
1367  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
1368
1369
1370 <programlisting>
1371   class Collection c a where
1372     union :: c a -> c a -> c a
1373     ...etc.
1374 </programlisting>
1375
1376
1377
1378 </para>
1379 </listitem>
1380 <listitem>
1381
1382 <para>
1383  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
1384 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1385 this is OK:
1386
1387
1388 <programlisting>
1389   class C a where {
1390     op :: D b => a -> b -> b
1391   }
1392
1393   class C a => D a where { ... }
1394 </programlisting>
1395
1396
1397 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1398 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1399 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1400
1401 </para>
1402 </listitem>
1403 <listitem>
1404
1405 <para>
1406  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
1407 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1408 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
1409
1410
1411 <programlisting>
1412   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1413     ...
1414
1415   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1416     lift :: m a -> (t m) a
1417 </programlisting>
1418
1419
1420 </para>
1421 </listitem>
1422
1423 <listitem>
1424
1425 <para>
1426  <emphasis>All of the class type variables must be reachable (in the sense 
1427 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1428 from the free varibles of each method type
1429 </emphasis>.  For example:
1430
1431
1432 <programlisting>
1433   class Coll s a where
1434     empty  :: s
1435     insert :: s -> a -> s
1436 </programlisting>
1437
1438
1439 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1440 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
1441 types, and has the same motivation.
1442
1443 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
1444 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
1445
1446
1447 <programlisting>
1448   class Coll s a where
1449     empty  :: s a
1450     insert :: s a -> a -> s a
1451 </programlisting>
1452
1453
1454 which makes the connection between the type of a collection of
1455 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1456 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1457 class like this:
1458
1459
1460 <programlisting>
1461   class CollE s where
1462     empty  :: s
1463
1464   class CollE s => Coll s a where
1465     insert :: s -> a -> s
1466 </programlisting>
1467
1468
1469 </para>
1470 </listitem>
1471
1472 </orderedlist>
1473 </para>
1474
1475 <sect3 id="class-method-types">
1476 <title>Class method types</title>
1477 <para>
1478 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1479 class type variable, thus:
1480 <programlisting>
1481   class Seq s a where
1482     fromList :: [a] -> s a
1483     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1484 </programlisting>
1485 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1486 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1487 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1488 </para>
1489 <para>
1490 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
1491 </para>
1492
1493 </sect3>
1494
1495 </sect2>
1496
1497 <sect2 id="type-restrictions">
1498 <title>Type signatures</title>
1499
1500 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1501 <para>
1502 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1503 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1504 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1505 these type signatures are perfectly OK
1506 <programlisting>
1507   g :: Eq [a] => ...
1508   g :: Ord (T a ()) => ...
1509 </programlisting>
1510 </para>
1511 <para>
1512 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1513 Consider the type:
1514
1515 <programlisting>
1516   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1517 </programlisting>
1518
1519 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1520 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1521 explicit source-language type signature are universally quantified,
1522 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1523 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1524 </para>
1525
1526 <para>
1527
1528 <orderedlist>
1529 <listitem>
1530
1531 <para>
1532  <emphasis>Each universally quantified type variable
1533 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1534
1535 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1536 in the same constraint as either a type variable free in in
1537 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1538 A value with a type that does not obey 
1539 this reachability restriction cannot be used without introducing
1540 ambiguity; that is why the type is rejected.
1541 Here, for example, is an illegal type:
1542
1543
1544 <programlisting>
1545   forall a. Eq a => Int
1546 </programlisting>
1547
1548
1549 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1550 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1551 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1552 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1553 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1554 get any more information about <literal>tv</literal>.
1555 </para>
1556 <para>
1557 Note
1558 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1559 functionally dependendent on a type variable free in
1560 <literal>type</literal> (see <xref
1561 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1562 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1563 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1564 For example, consider:
1565 <programlisting>
1566   class C a b | a -> b where ...
1567   class C a b => D a b where ...
1568   f :: forall a b. D a b => a -> a
1569 </programlisting>
1570 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1571 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1572 </para>
1573 </listitem>
1574 <listitem>
1575
1576 <para>
1577  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1578 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1579
1580 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1581 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1582
1583
1584 <programlisting>
1585   forall a. C a b => burble
1586 </programlisting>
1587
1588
1589 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1590 mention <literal>a</literal>:
1591
1592
1593 <programlisting>
1594   forall a. Eq b => burble
1595 </programlisting>
1596
1597
1598 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1599 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1600 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1601 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1602 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1603 territory free in case we need it later.
1604
1605 </para>
1606 </listitem>
1607
1608 </orderedlist>
1609
1610 </para>
1611 </sect3>
1612
1613 <sect3 id="hoist">
1614 <title>For-all hoisting</title>
1615 <para>
1616 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1617 end of an arrow, thus:
1618 <programlisting>
1619   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1620
1621   g :: Int -> Discard Int
1622   g x y z = x+y
1623 </programlisting>
1624 Simply expanding the type synonym would give
1625 <programlisting>
1626   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1627 </programlisting>
1628 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1629 <programlisting>
1630   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1631 </programlisting>
1632 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1633 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1634 performs the transformation:</emphasis>
1635 <programlisting>
1636   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1637 ==>
1638   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1639 </programlisting>
1640 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1641 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1642 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1643 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1644 <programlisting>
1645   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1646 </programlisting>
1647 </para>
1648 <para>
1649 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
1650 example:
1651 <programlisting>
1652   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
1653   g :: Foo (Foo Int)
1654 </programlisting>
1655 means
1656 <programlisting>
1657   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
1658 </programlisting>
1659 </para>
1660 </sect3>
1661
1662
1663 </sect2>
1664
1665 <sect2 id="instance-decls">
1666 <title>Instance declarations</title>
1667
1668 <sect3>
1669 <title>Overlapping instances</title>
1670 <para>
1671 In general, <emphasis>instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
1672 declarations
1673
1674
1675 <programlisting>
1676   instance context1 => C type1 where ...
1677   instance context2 => C type2 where ...
1678 </programlisting>
1679
1680 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify.
1681 </para>
1682 <para>
1683 However, if you give the command line option
1684 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1685 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
1686 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
1687 if another instance declaration also applies, either now or later.
1688
1689 <itemizedlist>
1690 <listitem>
1691
1692 <para>
1693  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
1694 </para>
1695 </listitem>
1696 <listitem>
1697
1698 <para>
1699  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
1700 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
1701 </para>
1702 </listitem>
1703 </itemizedlist>
1704 Notice that these rules
1705 <itemizedlist>
1706 <listitem>
1707
1708 <para>
1709  make it clear which instance decl to use
1710 (pick the most specific one that matches)
1711
1712 </para>
1713 </listitem>
1714 <listitem>
1715
1716 <para>
1717  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
1718 Reason: you can pick which instance decl
1719 "matches" based on the type.
1720 </para>
1721 </listitem>
1722
1723 </itemizedlist>
1724 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
1725 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
1726 <programlisting>
1727   instance C (Int,a) where ...
1728   instance C (a,Bool) where ...
1729 </programlisting>
1730 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
1731 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
1732 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
1733 </para>
1734 <para>
1735 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1736 <programlisting>
1737   class C a where { op :: a -> a }
1738   instance C [Int] where ...
1739   instance C a => C [a] where ...
1740   
1741   f :: C b => [b] -> [b]
1742   f x = op x
1743 </programlisting>
1744 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
1745 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
1746 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
1747 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1748 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
1749 the problem of subsequent instantiations.
1750 </para>
1751 <para>
1752 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
1753 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
1754 instance declarations in the transitive closure of all the modules
1755 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
1756 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
1757 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
1758 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
1759 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
1760 </para>
1761 </sect3>
1762
1763 <sect3>
1764 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1765
1766 <para>
1767 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1768 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1769 As always, using a type synonym is just shorthand for
1770 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1771
1772
1773 <programlisting>
1774   type Point = (Int,Int)
1775   instance C Point   where ...
1776   instance C [Point] where ...
1777 </programlisting>
1778
1779
1780 is legal.  However, if you added
1781
1782
1783 <programlisting>
1784   instance C (Int,Int) where ...
1785 </programlisting>
1786
1787
1788 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1789 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1790 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1791
1792
1793 <programlisting>
1794   type P a = [[a]]
1795   instance Monad P where ...
1796 </programlisting>
1797
1798
1799 This design decision is independent of all the others, and easily
1800 reversed, but it makes sense to me.
1801
1802 </para>
1803 </sect3>
1804
1805 <sect3 id="undecidable-instances">
1806 <title>Undecidable instances</title>
1807
1808 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1809 <orderedlist>
1810 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1811 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1812 For example, these are OK:
1813
1814 <programlisting>
1815   instance C Int a where ...
1816
1817   instance D (Int, Int) where ...
1818
1819   instance E [[a]] where ...
1820 </programlisting>
1821 but this is not:
1822 <programlisting>
1823   instance F a where ...
1824 </programlisting>
1825 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
1826 For example, this is OK:
1827 <programlisting>
1828   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1829 </programlisting>
1830 </para>
1831 </listitem>
1832
1833
1834 <listitem>
1835 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1836 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1837 Thus
1838 <programlisting>
1839 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1840 </programlisting>
1841 is OK, but
1842 <programlisting>
1843 instance C Int b => Foo b where ...
1844 </programlisting>
1845 is not OK.
1846 </para>
1847 </listitem>
1848 </orderedlist>
1849 These restrictions ensure that 
1850 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1851 constructor.  For example, the following would make the type checker
1852 loop if it wasn't excluded:
1853 <programlisting>
1854   instance C a => C a where ...
1855 </programlisting>
1856 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1857 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1858 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1859 something more specific does not:
1860
1861
1862 <programlisting>
1863   instance C a where
1864     op = ... -- Default
1865 </programlisting>
1866
1867
1868 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1869 effect of a "class synonym":
1870
1871
1872 <programlisting>
1873   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1874
1875   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1876 </programlisting>
1877
1878
1879 This allows you to write shorter signatures:
1880
1881
1882 <programlisting>
1883   f :: C a => ...
1884 </programlisting>
1885
1886
1887 instead of
1888
1889
1890 <programlisting>
1891   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1892 </programlisting>
1893
1894
1895 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1896 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1897 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1898 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1899 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1900 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1901 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1902 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1903 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1904 </para>
1905 <para>
1906 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1907 allowing these idioms interesting idioms.  
1908 </para>
1909 </sect3>
1910
1911
1912 </sect2>
1913
1914 <sect2 id="implicit-parameters">
1915 <title>Implicit parameters</title>
1916
1917 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
1918 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
1919 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
1920 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
1921 Boston, Jan 2000.
1922 </para>
1923
1924 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
1925 due to Jeff Lewis.)</para>
1926
1927 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
1928 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
1929
1930 <para>
1931 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
1932 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
1933 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
1934 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
1935 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
1936 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
1937 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
1938 only support static scoping of variables.
1939 </para>
1940 <para>
1941 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
1942 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
1943 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
1944 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
1945 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
1946 of type <literal>t'</literal>". For
1947 example, the following expresses the type of a sort function,
1948 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
1949 <programlisting>
1950   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1951 </programlisting>
1952 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
1953 </para>
1954 <para>
1955 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
1956 where <literal>x</literal> is
1957 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
1958 Use of this construct also introduces a new
1959 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
1960 For example, the following definition
1961 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
1962 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
1963 <programlisting>
1964   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
1965
1966   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
1967   sort    = sortBy ?cmp
1968 </programlisting>
1969 </para>
1970
1971 <sect3>
1972 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
1973 <para>
1974 Dynamic binding constraints behave just like other type class
1975 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
1976 function is used, its implicit parameters are inherited by the
1977 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
1978 to pick out the least value in a list:
1979 <programlisting>
1980   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
1981   least xs = fst (sort xs)
1982 </programlisting>
1983 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
1984 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
1985 parameters, the default is that parameters must always be explicit
1986 propagated. With implicit parameters, the default is to always
1987 propagate them.
1988 </para>
1989 <para>
1990 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
1991 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
1992 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
1993 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
1994 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
1995 class constraints.
1996 </para>
1997
1998 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
1999 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2000 <programlisting>
2001   class (?x::Int) => C a where ...
2002   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2003 </programlisting>
2004 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2005 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2006 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2007 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2008 <para>
2009 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2010 <programlisting>
2011    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2012    f n = n + length ?x
2013
2014    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2015    g s = show (read s)
2016 </programlisting>
2017 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2018 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2019 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2020 </para>
2021 </sect3>
2022
2023 <sect3>
2024 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2025
2026 <para>
2027 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2028 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2029 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2030 <literal>cmp</literal>.
2031 <programlisting>
2032   min :: [a] -> a
2033   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2034 </programlisting>
2035 </para>
2036 <para>
2037 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2038 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2039 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2040 or a <literal>where</literal> clause.
2041 Note the following points:
2042 <itemizedlist>
2043 <listitem><para>
2044 An implicit-parameter binding group must be a
2045 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2046 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2047 neither polymorphic or recursive.  
2048 </para></listitem>
2049 <listitem><para>
2050 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2051 single <literal>let</literal>
2052 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2053 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2054 </para></listitem>
2055
2056 <listitem><para>
2057 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2058 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2059 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2060 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2061 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2062 the meaning of the program.
2063 For example, consider:
2064 <programlisting>
2065   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2066 </programlisting>
2067 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2068 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2069 <programlisting>
2070   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2071 </programlisting>
2072 </para></listitem>
2073 </itemizedlist>
2074 </para>
2075
2076 </sect3>
2077 </sect2>
2078
2079 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2080 <title>Linear implicit parameters</title>
2081 <para>
2082 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2083 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2084 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2085 </para>
2086 <itemizedlist>
2087 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2088 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
2089 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2090 </itemizedlist>
2091
2092 <para>
2093 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2094 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2095 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2096 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2097 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2098 </para>
2099 <para>
2100 For example:
2101 <programlisting>
2102     import GHC.Exts( Splittable )
2103
2104     data NameSupply = ...
2105     
2106     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2107     newName :: NameSupply -> Name
2108
2109     instance Splittable NameSupply where
2110         split = splitNS
2111
2112
2113     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2114     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2115                     where
2116                       x'   = newName %ns
2117                       env' = extend env x x'
2118     ...more equations for f...
2119 </programlisting>
2120 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2121 <itemizedlist>
2122 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2123 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2124 </itemizedlist>
2125 </para>
2126 <para>
2127 So the translation done by the type checker makes
2128 the parameter explicit:
2129 <programlisting>
2130     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2131     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2132                        where
2133                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2134                          x' = newName ns2
2135                          env = extend env x x'
2136 </programlisting>
2137 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2138 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2139 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2140 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2141 <programlisting>
2142         class Splittable a where
2143           split :: a -> (a,a)
2144 </programlisting>
2145 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2146 split for name supplies.  But we can simply write
2147 <programlisting>
2148         g x = (x, %ns, %ns)
2149 </programlisting>
2150 and GHC will infer
2151 <programlisting>
2152         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2153 </programlisting>
2154 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2155 <literal>GHC.Exts</literal>.
2156 </para>
2157 <para>
2158 Other points:
2159 <itemizedlist>
2160 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2161 are entirely distinct implicit parameters: you 
2162   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2163 </listitem>
2164
2165 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2166
2167 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2168   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2169 </itemizedlist>
2170 </para>
2171
2172 <sect3><title>Warnings</title>
2173
2174 <para>
2175 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2176 Consider the example above:
2177 <programlisting>
2178     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2179     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2180                     where
2181                       x'   = newName %ns
2182                       env' = extend env x x'
2183 </programlisting>
2184 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2185 usually a harmless thing to do, we get:
2186 <programlisting>
2187     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2188     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2189                     where
2190                       env' = extend env x (newName %ns)
2191 </programlisting>
2192 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2193 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2194 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2195 the beta rule.
2196 </para>
2197 <para>
2198 Well, this is an experimental change.  With implicit
2199 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2200 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2201 Haskell programs without knowing their typing.
2202 </para>
2203
2204 </sect3>
2205
2206 <sect3><title>Recursive functions</title>
2207 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2208 Consider
2209 <programlisting>
2210         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2211         foo 0 = []
2212         foo n = %x : foo (n-1)
2213 </programlisting>
2214 where T is some type in class Splittable.</para>
2215 <para>
2216 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2217 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2218 </para><para>
2219 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2220 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2221 translated term, where the implicit param is made explicit:
2222 <programlisting>
2223         foo x 0 = []
2224         foo x n = let (x1,x2) = split x
2225                   in x1 : foo x2 (n-1)
2226 </programlisting>
2227 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2228 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2229 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2230 work.  So the translation becomes
2231 <programlisting>
2232         foo x = let
2233                   foom 0 = []
2234                   foom n = x : foom (n-1)
2235                 in
2236                 foom
2237 </programlisting>
2238 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2239 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2240 Yikes!
2241 </para><para>
2242 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2243 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2244 </para>
2245 </sect3>
2246
2247 </sect2>
2248
2249 <sect2 id="functional-dependencies">
2250 <title>Functional dependencies
2251 </title>
2252
2253 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
2254 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
2255 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
2256 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
2257 .
2258 </para>
2259 <para>
2260 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
2261 class declaration;  e.g. 
2262 <programlisting>
2263   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
2264
2265   class Foo a b c | a b -> c where ...
2266 </programlisting>
2267 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
2268 </para>
2269 </sect2>
2270
2271
2272
2273 <sect2 id="sec-kinding">
2274 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2275
2276 <para>
2277 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2278 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2279 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2280 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2281 John Hughes had to define the data type:
2282 <screen>
2283      data Set cxt a = Set [a]
2284                     | Unused (cxt a -> ())
2285 </screen>
2286 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2287 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2288 </para>
2289 <para>
2290 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2291 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2292 <itemizedlist>
2293 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2294 <screen>
2295   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2296 </screen></para></listitem>
2297 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2298 <screen>
2299   type T (f :: * -> *) = f Int
2300 </screen></para></listitem>
2301 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2302 <screen>
2303   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2304 </screen></para></listitem>
2305 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2306 <screen>
2307   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2308 </screen></para></listitem>
2309 </itemizedlist>
2310 </para>
2311
2312 <para>
2313 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2314 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2315 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2316 single lexeme in Haskell.
2317 </para>
2318
2319 <para>
2320 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2321 as well.  Thus:
2322 <screen>
2323    f :: (Int :: *) -> Int
2324    g :: forall a. a -> (a :: *)
2325 </screen>
2326 The syntax is
2327 <screen>
2328    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2329 </screen>
2330 The parentheses are required.
2331 </para>
2332 </sect2>
2333
2334
2335 <sect2 id="universal-quantification">
2336 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2337 </title>
2338
2339 <para>
2340 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2341 allows us to say exactly what this means.  For example:
2342 </para>
2343 <para>
2344 <programlisting>
2345         g :: b -> b
2346 </programlisting>
2347 means this:
2348 <programlisting>
2349         g :: forall b. (b -> b)
2350 </programlisting>
2351 The two are treated identically.
2352 </para>
2353
2354 <para>
2355 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2356 explicit universal quantification in
2357 types. 
2358 For example, all the following types are legal:
2359 <programlisting>
2360     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2361     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2362
2363     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2364     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2365
2366     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2367 </programlisting>
2368 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2369 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2370 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2371 is implicitly added by Haskell.
2372 </para>
2373 <para>
2374 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2375 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
2376 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2377 </para>
2378 <para>
2379 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2380 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2381 </para>
2382 <para>
2383 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2384 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2385 that restriction has now been lifted.)
2386 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2387 including an operational type class context, is legal:
2388 <itemizedlist>
2389 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2390 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2391 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2392 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2393 field type signatures.</para> </listitem>
2394 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2395 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2396 </itemizedlist>
2397 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2398 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2399 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2400 <programlisting>
2401     x1 :: [forall a. a->a]
2402     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2403     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2404 </programlisting>
2405 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2406 a type variable any more!
2407 </para>
2408
2409
2410 <sect3 id="univ">
2411 <title>Examples
2412 </title>
2413
2414 <para>
2415 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2416 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2417 </para>
2418
2419 <para>
2420
2421 <programlisting>
2422 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2423
2424 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2425                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2426                         }
2427
2428 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2429 </programlisting>
2430
2431 </para>
2432
2433 <para>
2434 The constructors have rank-2 types:
2435 </para>
2436
2437 <para>
2438
2439 <programlisting>
2440 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2441 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2442                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2443                   -> MonadT m
2444 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2445 </programlisting>
2446
2447 </para>
2448
2449 <para>
2450 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2451 explicit context.  For example in the first argument of the
2452 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2453 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2454 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2455 mentioned in the type quantified over.
2456 </para>
2457
2458 <para>
2459 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2460 types too.  So if you write this:
2461
2462 <programlisting>
2463   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2464 </programlisting>
2465
2466 it's just as if you had written this:
2467
2468 <programlisting>
2469   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2470 </programlisting>
2471
2472 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2473 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2474 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2475 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2476 </para>
2477
2478 <para>
2479 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2480 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2481 </para>
2482
2483 <para>
2484
2485 <programlisting>
2486     a1 :: T Int
2487     a1 = T1 (\xy->x) 3
2488     
2489     a2, a3 :: Swizzle
2490     a2 = MkSwizzle sort
2491     a3 = MkSwizzle reverse
2492     
2493     a4 :: MonadT Maybe
2494     a4 = let r x = Just x
2495              b m k = case m of
2496                        Just y -> k y
2497                        Nothing -> Nothing
2498          in
2499          MkMonad r b
2500
2501     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2502     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2503 </programlisting>
2504
2505 </para>
2506
2507 <para>
2508 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2509 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2510 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2511 </para>
2512
2513 <para>
2514 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2515 polymorphic types.  For example:
2516 </para>
2517
2518 <para>
2519
2520 <programlisting>
2521     f :: T a -> a -> (a, Char)
2522     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2523
2524     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2525     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2526
2527     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2528     h m [] = return m []
2529     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2530                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2531                  return m (y:ys)
2532 </programlisting>
2533
2534 </para>
2535
2536 <para>
2537 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2538 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2539 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2540 matching.
2541 </para>
2542 </sect3>
2543
2544 <sect3>
2545 <title>Type inference</title>
2546
2547 <para>
2548 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
2549 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2550 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2551 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2552 </para>
2553 <para>
2554 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2555 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2556 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2557 </para>
2558 <para>
2559 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2560 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2561 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2562 <programlisting>
2563      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2564 </programlisting>
2565 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2566 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2567 <programlisting>
2568      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2569 </programlisting>
2570 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2571 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2572 one can give a type signature for the function itself:
2573 <programlisting>
2574      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2575      h f = (f True, f 'c')
2576 </programlisting>
2577 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2578 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2579 <programlisting>
2580     f :: T a -> a -> (a, Char)
2581     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2582 </programlisting>
2583 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2584 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2585 it needs to know.
2586 </para>
2587
2588 </sect3>
2589
2590
2591 <sect3 id="implicit-quant">
2592 <title>Implicit quantification</title>
2593
2594 <para>
2595 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2596 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2597 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2598 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2599 equivalent:
2600 <programlisting>
2601   f :: a -> a
2602   f :: forall a. a -> a
2603
2604   g (x::a) = let
2605                 h :: a -> b -> b
2606                 h x y = y
2607              in ...
2608   g (x::a) = let
2609                 h :: forall b. a -> b -> b
2610                 h x y = y
2611              in ...
2612 </programlisting>
2613 </para>
2614 <para>
2615 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2616 point.  For example:
2617 <programlisting>
2618   f :: (a -> a) -> Int
2619            -- MEANS
2620   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2621            -- NOT
2622   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2623
2624
2625   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2626            -- MEANS the illegal type
2627   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2628            -- NOT
2629   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2630 </programlisting>
2631 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2632 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2633 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2634 for rank-2 types.
2635 </para>
2636 </sect3>
2637 </sect2>
2638
2639
2640
2641
2642 <sect2 id="scoped-type-variables">
2643 <title>Scoped type variables
2644 </title>
2645
2646 <para>
2647 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
2648 variable</emphasis>.  For example
2649 </para>
2650
2651 <para>
2652
2653 <programlisting>
2654 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2655            where
2656               ys :: [a]
2657               ys = reverse xs
2658 </programlisting>
2659
2660 </para>
2661
2662 <para>
2663 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2664 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2665 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2666 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2667 </para>
2668
2669 <para>
2670  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
2671 type signatures.  The two can be used independently or together.
2672 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2673 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2674 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2675 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2676 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2677 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2678 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2679 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2680 it becomes possible to do so.
2681 </para>
2682
2683 <para>
2684 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2685 implementations differ from the specification below, those differences
2686 are noted.
2687 </para>
2688
2689 <para>
2690 So much for the basic idea.  Here are the details.
2691 </para>
2692
2693 <sect3>
2694 <title>What a pattern type signature means</title>
2695 <para>
2696 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
2697 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
2698 of the same name mean the same type.  For example:
2699 <programlisting>
2700   f :: [Int] -> Int -> Int
2701   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2702 </programlisting>
2703 The pattern type signatures on the left hand side of
2704 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2705 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2706 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2707 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2708 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2709 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2710 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2711 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2712 For example, all of these are legal:</para>
2713
2714 <programlisting>
2715   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2716
2717   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2718
2719   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2720
2721   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2722         in k x                  -- environment
2723
2724   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2725   k (x::Int) False = ...
2726
2727   w :: [b] -> [b]
2728   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2729 </programlisting>
2730
2731 </sect3>
2732
2733 <sect3>
2734 <title>Scope and implicit quantification</title>
2735
2736 <para>
2737
2738 <itemizedlist>
2739 <listitem>
2740
2741 <para>
2742 All the type variables mentioned in a pattern,
2743 that are not already in scope,
2744 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2745 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2746 For example:
2747 <programlisting>
2748   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2749              in
2750              g (x,True)
2751 </programlisting>
2752 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2753 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2754 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2755 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2756 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2757 </para>
2758 </listitem>
2759
2760 <listitem>
2761 <para>
2762 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2763 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2764 <programlisting>
2765   let
2766     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2767     (p::b, q::b) = (1,2)
2768   in &lt;...body of let...>
2769 </programlisting>
2770 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2771 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2772 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2773 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2774 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2775 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2776 </para>
2777 </listitem>
2778
2779
2780 <listitem>
2781 <para>
2782 The type variables bound by the pattern may be 
2783 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2784 type signatures anywhere within their scope.
2785
2786 </para>
2787 </listitem>
2788
2789 <listitem>
2790 <para>
2791  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2792 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2793
2794 </para>
2795 </listitem>
2796
2797 <listitem>
2798
2799 <para>
2800  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2801 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2802
2803 <programlisting>
2804   f :: a -> a
2805   f x = x::a
2806 </programlisting>
2807
2808 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2809 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2810 and that is an incorrect typing.
2811
2812 </para>
2813 </listitem>
2814
2815 <listitem>
2816 <para>
2817 The pattern type signature is a monotype:
2818 </para>
2819
2820 <itemizedlist>
2821 <listitem> <para> 
2822 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2823 </para> </listitem>
2824
2825 <listitem>  <para> 
2826 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2827 not to type schemes.
2828 </para> </listitem>
2829
2830 <listitem>  <para> 
2831 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2832 ordinary type signatures).
2833 </para> </listitem>
2834
2835 </itemizedlist>
2836
2837 </listitem>
2838
2839 <listitem>
2840 <para>
2841
2842 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2843 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2844
2845
2846 <programlisting>
2847   class C a where
2848     op :: [a] -> a
2849
2850     op xs = let ys::[a]
2851                 ys = reverse xs
2852             in
2853             head ys
2854 </programlisting>
2855
2856
2857 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2858 </para>
2859 </listitem>
2860
2861 </itemizedlist>
2862
2863 </para>
2864
2865 </sect3>
2866
2867 <sect3>
2868 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2869
2870 <para>
2871 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2872 <itemizedlist>
2873
2874 <listitem>
2875 <para>
2876 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2877 ust on a variable:
2878
2879
2880 <programlisting>
2881   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2882 </programlisting>
2883
2884
2885 </para>
2886 </listitem>
2887 <listitem>
2888
2889 <para>
2890  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2891 in lambda abstractions:
2892
2893 <programlisting>
2894   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2895 </programlisting>
2896 </para>
2897 </listitem>
2898 <listitem>
2899
2900 <para>
2901  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2902 in <literal>case</literal> expressions:
2903
2904 <programlisting>
2905   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
2906 </programlisting>
2907
2908 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
2909 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
2910 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
2911 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
2912 arrow and give a parse error later.
2913
2914 </para>
2915
2916 </listitem>
2917
2918 <listitem>
2919 <para>
2920 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2921 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2922 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2923 consider how one would parse this:
2924
2925
2926 <programlisting>
2927   \ x :: a -> b -> x
2928 </programlisting>
2929
2930
2931 </para>
2932 </listitem>
2933
2934 <listitem>
2935
2936 <para>
2937  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2938 For example:
2939
2940
2941 <programlisting>
2942   data T = forall a. MkT [a]
2943
2944   f :: T -> T
2945   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2946                  where
2947                    t3::[a] = [t,t,t]
2948 </programlisting>
2949
2950
2951 </para>
2952 </listitem>
2953
2954
2955 <listitem>
2956
2957 <para>
2958 Pattern type signatures 
2959 can be used in pattern bindings:
2960
2961 <programlisting>
2962   f x = let (y, z::a) = x in ...
2963   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2964   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2965   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2966 </programlisting>
2967
2968 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2969 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2970 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2971 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2972 In contrast, the binding
2973 <programlisting>
2974   f4 :: b->b
2975   f4 = \x -> x
2976 </programlisting>
2977 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2978 in <literal>f4</literal>'s scope.
2979
2980 </para>
2981 </listitem>
2982 </itemizedlist>
2983 </para>
2984
2985 </sect3>
2986
2987 <sect3>
2988 <title>Result type signatures</title>
2989
2990 <para>
2991 The result type of a function can be given a signature, thus:
2992
2993
2994 <programlisting>
2995   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2996 </programlisting>
2997
2998
2999 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3000 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3001 you want:
3002
3003
3004 <programlisting>
3005   f :: Int -> [a] -> [a]
3006   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3007                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3008 </programlisting>
3009
3010 </para>
3011 <para>
3012 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3013 of the definition. However, consider this corner-case:
3014 <programlisting>
3015   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3016
3017   foo ys = rev (ys::[a])
3018 </programlisting>
3019 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3020 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3021 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3022 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3023 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3024 </para>
3025 <para>
3026 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3027 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3028 is polymorphic:
3029 <programlisting>
3030   rev1 :: [b] -> [b]
3031   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3032 </programlisting>
3033 </para>
3034
3035 <para>
3036 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3037 </para>
3038
3039 </sect3>
3040
3041 </sect2>
3042
3043 <sect2 id="deriving-typeable">
3044 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3045
3046 <para>
3047 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3048 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3049 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3050 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3051 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3052 </para>
3053 <para>
3054 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3055 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3056 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3057 modules <literal>Data.Dynamic</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3058 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3059 </para>
3060 </sect2>
3061
3062 <sect2 id="newtype-deriving">
3063 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3064
3065 <para>
3066 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3067 the new type to inherit some instances from its representation. In
3068 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3069 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3070 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3071 example, if you define
3072
3073 <programlisting> 
3074   newtype Dollars = Dollars Int 
3075 </programlisting> 
3076
3077 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3078 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3079
3080 <programlisting> 
3081   instance Num Dollars where
3082     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3083     ...
3084 </programlisting>
3085 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3086 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3087 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3088 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3089 dictionary, only slower!
3090 </para>
3091
3092
3093 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3094 <para>
3095 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3096 <programlisting> 
3097   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3098 </programlisting> 
3099
3100 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3101 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3102 derives an instance declaration of the form
3103
3104 <programlisting> 
3105   instance Num Int => Num Dollars
3106 </programlisting> 
3107
3108 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3109 </para>
3110 <para>
3111
3112 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3113 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3114 transformers, such that
3115
3116 <programlisting> 
3117   instance Monad m => Monad (State s m) 
3118   instance Monad m => Monad (Failure m)
3119 </programlisting> 
3120 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3121 <programlisting> 
3122   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3123 </programlisting> 
3124
3125 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3126 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3127 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3128
3129 <programlisting> 
3130   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3131                          deriving Monad
3132 </programlisting>
3133 In this case the derived instance declaration is of the form 
3134 <programlisting> 
3135   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3136 </programlisting> 
3137
3138 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3139 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3140 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3141 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3142 declaration.
3143 </para>
3144 <para>
3145
3146 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3147 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3148 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3149 clause. For example, given the class
3150
3151 <programlisting> 
3152   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3153   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3154 </programlisting> 
3155 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3156 <programlisting> 
3157   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3158                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3159 </programlisting>
3160
3161 The derived instance is obtained by completing the application of the
3162 class to the new type:
3163
3164 <programlisting> 
3165   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3166            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3167 </programlisting>
3168 </para>
3169 <para>
3170
3171 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3172 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3173 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3174 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3175 the newtype and its representation.
3176 </para>
3177 </sect3>
3178
3179 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3180 <para>
3181 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3182 declaration (after expansion of any type synonyms)
3183
3184 <programlisting> 
3185   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3186 </programlisting> 
3187
3188 where 
3189  <itemizedlist>
3190 <listitem><para>
3191   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3192 </para></listitem>
3193 <listitem><para>
3194   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3195 </para></listitem>
3196 <listitem><para>
3197   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3198   the <literal>ti</literal>, and
3199 </para></listitem>
3200 <listitem><para>
3201   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3202   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3203   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3204 </para></listitem>
3205 <listitem><para>
3206   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3207                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3208                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3209                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3210                 via this new mechanism.  
3211 </para></listitem>
3212 </itemizedlist>
3213 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3214 declaration is:
3215 <programlisting> 
3216   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3217 </programlisting>
3218 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3219 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3220 </para>
3221 <para>
3222
3223 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3224 <programlisting> 
3225   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3226 </programlisting> 
3227 Here we cannot derive the instance 
3228 <programlisting> 
3229   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3230 </programlisting> 
3231
3232 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3233 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3234 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3235 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3236 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3237 </para>
3238 <para>
3239
3240 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3241 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3242 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3243
3244 <programlisting> 
3245   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3246 </programlisting>
3247
3248 then we would not have been able to derive an instance for the
3249 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3250 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3251 instances is most interesting.
3252 </para>
3253 </sect3>
3254
3255 </sect2>
3256
3257
3258 </sect1>
3259 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3260   
3261 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3262
3263 <sect1 id="template-haskell">
3264 <title>Template Haskell</title>
3265
3266 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3267 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3268 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3269 the background to
3270 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3271 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3272 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3273 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3274 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3275 (search for the type ExpQ).
3276 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3277       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3278 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3279 </para>
3280
3281 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3282 </para>
3283
3284 <para>
3285 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3286 Tim Sheard is going to expand it.)
3287 </para>
3288
3289     <sect2>
3290       <title>Syntax</title>
3291
3292       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3293       constructions.  You need to use the flag
3294       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3295       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3296       (<option>-fth</option> is currently implied by
3297       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3298       specify it explicitly).</para>
3299
3300         <itemizedlist>
3301               <listitem><para>
3302                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3303                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3304                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3305                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3306                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3307                   </para>
3308               <para> A splice can occur in place of 
3309                   <itemizedlist>
3310                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must have type <literal>Expr</literal></para></listitem>
3311                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3312                     <listitem><para> a type; the spliced expression must have type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3313                     </itemizedlist>
3314            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3315         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3316         as in the paper.)
3317                 </para></listitem>
3318
3319
3320               <listitem><para>
3321                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3322                   <itemizedlist>
3323                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3324                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3325                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3326                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3327                     <listitem><para> <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3328                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3329                   </itemizedlist></para></listitem>
3330
3331               <listitem><para>
3332                   Reification is written thus:
3333                   <itemizedlist>
3334                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3335                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3336                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3337                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3338                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3339                     
3340                   </itemizedlist></para>
3341                 </listitem>
3342
3343                   
3344         </itemizedlist>
3345 </sect2>
3346
3347 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3348 <para>
3349 <itemizedlist>
3350     <listitem><para>
3351     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3352     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3353     </para></listitem>
3354
3355     <listitem><para>
3356     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3357             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3358             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3359    </para></listitem>
3360
3361     <listitem><para>
3362             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3363    </para></listitem>
3364     <listitem><para>
3365             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3366               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3367               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3368               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3369               those of the compiler itself.
3370    </para></listitem>
3371 </itemizedlist>
3372 </para>
3373 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3374         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3375         has been lifted.
3376 </para>
3377 </sect2>
3378  
3379 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3380 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3381   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3382
3383 <programlisting>
3384
3385 {- Main.hs -}
3386 module Main where
3387
3388 -- Import our template "pr"
3389 import Printf ( pr )
3390
3391 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3392 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3393 -- the argument of "putStrLn".
3394 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3395
3396
3397 {- Printf.hs -}
3398 module Printf where
3399
3400 -- Skeletal printf from the paper.
3401 -- It needs to be in a separate module to the one where
3402 -- you intend to use it.
3403
3404 -- Import some Template Haskell syntax
3405 import Language.Haskell.TH.Syntax
3406
3407 -- Describe a format string
3408 data Format = D | S | L String
3409
3410 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3411 -- as we are here interested in building our first ever
3412 -- Template Haskell program and not in building printf.
3413 parse :: String -> [Format]
3414 parse s   = [ L s ]
3415
3416 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3417 -- of the format string.  This code will be spliced into
3418 -- the module which calls "pr", at compile time.
3419 gen :: [Format] -> ExpQ
3420 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3421 gen [S]   = [| \s -> s |]
3422 gen [L s] = stringE s
3423
3424 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3425 -- from an input format string.
3426 pr :: String -> ExpQ
3427 pr s      = gen (parse s)
3428 </programlisting>
3429
3430 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3431 </para>
3432 <programlisting>
3433 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3434 </programlisting>
3435
3436 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3437
3438 <programlisting>
3439 $ ./main
3440 Hello
3441 </programlisting>
3442
3443 </sect2>
3444  
3445 </sect1>
3446
3447 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3448
3449 <sect1 id="arrow-notation">
3450 <title>Arrow notation
3451 </title>
3452
3453 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3454 For more details, see
3455 <itemizedlist>
3456
3457 <listitem>
3458 <para>
3459 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3460 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3461 pp67&ndash;111, May 2000.
3462 </para>
3463 </listitem>
3464
3465 <listitem>
3466 <para>
3467 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3468 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3469 </para>
3470 </listitem>
3471
3472 <listitem>
3473 <para>
3474 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3475 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3476 Palgrave, 2003.
3477 </para>
3478 </listitem>
3479
3480 </itemizedlist>
3481 and the arrows web page at
3482 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3483 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3484 notation described in the second of these papers.
3485 What follows is a brief introduction to the notation;
3486 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3487 This notation is translated to ordinary Haskell,
3488 using combinators from the
3489 <ulink url="../libraries/base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3490 module.
3491 </para>
3492
3493 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3494 <screen>
3495 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3496        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3497 </screen>
3498 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3499 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3500 <literal>proc</literal>-expression,
3501 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3502 The syntax of commands is as follows:
3503 <screen>
3504 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3505        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3506        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3507 </screen>
3508 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3509 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3510 infix operators as for expressions, and
3511 <screen>
3512 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3513        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3514        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3515        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3516        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3517        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3518
3519 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3520        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3521        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3522
3523 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3524        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3525        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3526        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3527 </screen>
3528 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3529 except that the bodies are commands instead of expressions.
3530 </para>
3531
3532 <para>
3533 Commands produce values, but (like monadic computations)
3534 may yield more than one value,
3535 or none, and may do other things as well.
3536 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3537 using commands.
3538 However the values of expressions, even monadic ones,
3539 are determined by the values of the variables they contain;
3540 this is not necessarily the case for commands.
3541 </para>
3542
3543 <para>
3544 A simple example of the new notation is the expression
3545 <screen>
3546 proc x -> f -&lt; x+1
3547 </screen>
3548 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3549 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3550 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3551 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3552 It refers to the input to the arrow.
3553 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3554 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3555 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3556 (The weird look will make more sense later.)
3557 It may be read as analogue of application for arrows.
3558 The above example is equivalent to the Haskell expression
3559 <screen>
3560 arr (\ x -> x+1) >>> f
3561 </screen>
3562 That would make no sense if the expression to the left of
3563 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3564 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3565 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3566 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3567 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3568 <screen>
3569 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3570 </screen>
3571 which is equivalent to
3572 <screen>
3573 arr (\ x -> (f, x+1)) >>> app
3574 </screen>
3575 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3576 class.
3577 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3578 you may find a monadic formulation more convenient.
3579 </para>
3580
3581 <sect2>
3582 <title>do-notation for commands</title>
3583
3584 <para>
3585 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3586 For example, you can write
3587 <screen>
3588 proc x -> do
3589         y &lt;- f -&lt; x+1
3590         g -&lt; 2*y
3591         let z = x+y
3592         t &lt;- h -&lt; x*z
3593         returnA -&lt; t+z
3594 </screen>
3595 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3596 but with commands in place of monadic expressions.
3597 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3598 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3599 <literal>y</literal>.
3600 In the next line, the output is discarded.
3601 The arrow <literal>returnA</literal> is defined in the
3602 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3603 module as <literal>arr id</literal>.
3604 The above example is treated as an abbreviation for
3605 <screen>
3606 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3607         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3608         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3609         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3610         arr snd >>>
3611         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
3612         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
3613         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
3614         returnA
3615 </screen>
3616 Note that variables not used later in the composition are projected out.
3617 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
3618 defined in the
3619 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3620 module, this reduces to
3621 <screen>
3622 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
3623         first f >>>
3624         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
3625         first g >>>
3626         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
3627         first h >>>
3628         arr (\ (t, z) -> t+z)
3629 </screen>
3630 which is what you might have written by hand.
3631 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
3632 </para>
3633
3634 <para>
3635 Note that although the above translation suggests that
3636 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
3637 monomorphic, the actual translation produces Core,
3638 so polymorphic variables are allowed.
3639 </para>
3640
3641 <para>
3642 It's also possible to have mutually recursive bindings,
3643 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
3644 <screen>
3645 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
3646 counter = proc reset -> do
3647         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
3648                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
3649         returnA -&lt; output
3650 </screen>
3651 The translation of such forms uses the <literal>loop</literal> combinator,
3652 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
3653 </para>
3654
3655 </sect2>
3656
3657 <sect2>
3658 <title>Conditional commands</title>
3659
3660 <para>
3661 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
3662 input for an arrow.
3663 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
3664 <screen>
3665 proc (x,y) ->
3666         if f x y
3667         then g -&lt; x+1
3668         else h -&lt; y+2
3669 </screen>
3670 which is translated to
3671 <screen>
3672 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
3673         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
3674 </screen>
3675 Since the translation uses <literal>|||</literal>,
3676 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
3677 </para>
3678
3679 <para>
3680 There are also <literal>case</literal> commands, like
3681 <screen>
3682 case input of
3683     [] -> f -&lt; ()
3684     [x] -> g -&lt; x+1
3685     x1:x2:xs -> do
3686         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
3687         ys &lt;- k -&lt; xs
3688         returnA -&lt; y:ys
3689 </screen>
3690 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
3691 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
3692 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
3693 </para>
3694
3695 </sect2>
3696
3697 <sect2>
3698 <title>Defining your own control structures</title>
3699
3700 <para>
3701 As we're seen, arrow notation provides constructs,
3702 modelled on those for expressions,
3703 for sequencing, value recursion and conditionals.
3704 But suitable combinators,
3705 which you can define in ordinary Haskell,
3706 may also be used to build new commands out of existing ones.
3707 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
3708 These environments assign values to the free local variables of the command.
3709 Thus combinators that produce arrows from arrows
3710 may also be used to build commands from commands.
3711 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
3712 <programlisting>
3713 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
3714 </programlisting>
3715 so we can use it to build commands:
3716 <programlisting>
3717 expr' = proc x -> do
3718                 returnA -&lt; x
3719         &lt;+> do
3720                 symbol Plus -&lt; ()
3721                 y &lt;- term -&lt; ()
3722                 expr' -&lt; x + y
3723         &lt;+> do
3724                 symbol Minus -&lt; ()
3725                 y &lt;- term -&lt; ()
3726                 expr' -&lt; x - y
3727 </programlisting>
3728 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
3729 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
3730 expression on the previous line.)
3731 This is equivalent to
3732 <programlisting>
3733 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
3734         &lt;+> (proc x -> do
3735                 symbol Plus -&lt; ()
3736                 y &lt;- term -&lt; ()
3737                 expr' -&lt; x + y)
3738         &lt;+> (proc x -> do
3739                 symbol Minus -&lt; ()
3740                 y &lt;- term -&lt; ()
3741                 expr' -&lt; x - y)
3742 </programlisting>
3743 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
3744 (representing the environment input to the command
3745 and thence to its subcommands)
3746 and satisfy the corresponding naturality property
3747 <screen>
3748 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
3749 </screen>
3750 at least for strict <literal>k</literal>.
3751 (This should be automatic if you're not using <literal>seq</literal>.)
3752 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
3753 of the whole command,
3754 and also allows the translation to safely trim these environments.
3755 The operator must also not use any variable defined within the current
3756 arrow abstraction.
3757 </para>
3758
3759 <para>
3760 We could define our own operator
3761 <programlisting>
3762 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
3763 untilA body cond = proc x ->
3764         if cond x then returnA -&lt; ()
3765         else do
3766                 body -&lt; x
3767                 untilA body cond -&lt; x
3768 </programlisting>
3769 and use it in the same way.
3770 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
3771 there is also a more general syntax involving special brackets:
3772 <screen>
3773 proc x -> do
3774         y &lt;- f -&lt; x+1
3775         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
3776 </screen>
3777 </para>
3778
3779 </sect2>
3780
3781 <sect2>
3782 <title>Primitive constructs</title>
3783
3784 <para>
3785 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
3786 For example, in an arrow type supporting exceptions,
3787 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
3788 exception that occurred to the handler.
3789 Such an operator might have a type
3790 <screen>
3791 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
3792 </screen>
3793 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
3794 You could then use this with arrow notation by writing a command
3795 <screen>
3796 body `handleA` \ ex -> handler
3797 </screen>
3798 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
3799 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
3800 and the command <literal>handler</literal>,
3801 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
3802 Though the syntax here looks like a functional lambda,
3803 we are talking about commands, and something different is going on.
3804 The input to the arrow represented by a command consists of values for
3805 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
3806 In all the prior examples, this stack was empty.
3807 In the second argument to <literal>handleA</literal>,
3808 this stack consists of one value, the value of the exception.
3809 The command form of lambda merely gives this value a name.
3810 </para>
3811
3812 <para>
3813 More concretely,
3814 the values on the stack are paired to the right of the environment.
3815 So when designing operators like <literal>handleA</literal> that pass
3816 extra inputs to their subcommands,
3817 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
3818 should have the form
3819 <screen>
3820 a (...(e,t1), ... tn) t
3821 </screen>
3822 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
3823 (representing the environment)
3824 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
3825 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
3826 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
3827 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
3828 <replaceable>t</replaceable>.
3829 However the arrows involved need not be the same.
3830 Here are some more examples of suitable operators:
3831 <screen>
3832 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
3833 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
3834 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
3835 </screen>
3836 We can supply the extra input required by commands built with the last two
3837 by applying them to ordinary expressions, as in
3838 <screen>
3839 proc x -> do
3840         s &lt;- ...
3841         (|runReader (do { ... })|) s
3842 </screen>
3843 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
3844 built using <literal>runReader</literal>.
3845 </para>
3846
3847 <para>
3848 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
3849 the expression versions.
3850 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
3851 These three features (operators, lambda abstraction and application)
3852 are the core of the notation; everything else can be built using them,
3853 though the results would be somewhat clumsy.
3854 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
3855 <programlisting>
3856 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
3857 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
3858
3859 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
3860 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
3861 </programlisting>
3862 We could simulate <literal>do</literal> by defining
3863 <programlisting>
3864 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
3865 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
3866 </programlisting>
3867 </para>
3868
3869 </sect2>
3870
3871 <sect2>
3872 <title>Differences with the paper</title>
3873
3874 <itemizedlist>
3875
3876 <listitem>
3877 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
3878 translations, the implementation provides two forms
3879 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
3880 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
3881 </para>
3882 </listitem>
3883
3884 <listitem>
3885 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
3886 a new <literal>form</literal> keyword.
3887 </para>
3888 </listitem>
3889
3890 </itemizedlist>
3891
3892 </sect2>
3893
3894 <sect2>
3895 <title>Portability</title>
3896
3897 <para>
3898 Although only GHC implements arrow notation directly,
3899 there is also a preprocessor
3900 (available from the 
3901 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
3902 that translates arrow notation into Haskell 98
3903 for use with other Haskell systems.
3904 You would still want to check arrow programs with GHC;
3905 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
3906 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
3907 additional restrictions:
3908 <itemizedlist>
3909
3910 <listitem>
3911 <para>
3912 The module must import
3913 <ulink url="../base/Control.Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
3914 </para>
3915 </listitem>
3916
3917 <listitem>
3918 <para>
3919 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
3920 These would have to go in separate modules.
3921 </para>
3922 </listitem>
3923
3924 <listitem>
3925 <para>
3926 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
3927 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
3928 </para>
3929 </listitem>
3930
3931 </itemizedlist>
3932 </para>
3933
3934 </sect2>
3935
3936 </sect1>
3937
3938 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
3939
3940 <sect1 id="sec-assertions">
3941 <title>Assertions
3942 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
3943 </title>
3944
3945 <para>
3946 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
3947 could define a function like the following:
3948 </para>
3949
3950 <para>
3951
3952 <programlisting>
3953 assert :: Bool -> a -> a
3954 assert False x = error "assertion failed!"
3955 assert _     x = x
3956 </programlisting>
3957
3958 </para>
3959
3960 <para>
3961 which works, but gives you back a less than useful error message --
3962 an assertion failed, but which and where?
3963 </para>
3964
3965 <para>
3966 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
3967 takes a descriptive string to include in the error message and
3968 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
3969 the source location where <function>assert</function> was used.
3970 </para>
3971
3972 <para>
3973 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
3974 use of <function>assert</function> in the user's source:
3975 </para>
3976
3977 <para>
3978
3979 <programlisting>
3980 kelvinToC :: Double -> Double
3981 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
3982 </programlisting>
3983
3984 </para>
3985
3986 <para>
3987 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
3988 assertion was made,
3989 </para>
3990
3991 <para>
3992
3993 <programlisting>
3994 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
3995 </programlisting>
3996
3997 </para>
3998
3999 <para>
4000 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4001 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4002 can still define and use your own versions of
4003 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4004 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4005 <function>assert</function> in your code.
4006 </para>
4007
4008 <para>
4009 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
4010 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
4011 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
4012 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4013 <literal>e</literal>.
4014 </para>
4015
4016 <para>
4017 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4018 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4019 </para>
4020
4021 </sect1>
4022
4023
4024 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4025
4026   <sect1 id="pragmas">
4027     <title>Pragmas</title>
4028
4029     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4030
4031     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4032     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4033     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4034     of the generated code.</para>
4035
4036     <para>Pragmas all take the form
4037
4038 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4039
4040     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4041     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4042     type of pragma.  Case is ignored in
4043     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4044     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4045     in the following sections; any pragma encountered with an
4046     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4047     ignored.</para>
4048
4049     <sect2 id="deprecated-pragma">
4050       <title>DEPRECATED pragma</title>
4051       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4052       </indexterm>
4053
4054       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4055       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4056       forms.
4057
4058       <itemizedlist>
4059         <listitem>
4060           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4061 <programlisting>
4062    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4063      ...
4064 </programlisting>
4065           <para>When you compile any module that import
4066           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4067           message.</para>
4068         </listitem>
4069
4070         <listitem>
4071           <para>You can deprecate a function, class, or type, with the
4072           following top-level declaration:</para>
4073 <programlisting>
4074    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4075 </programlisting>
4076           <para>When you compile any module that imports and uses any
4077           of the specifed entities, GHC will print the specified
4078           message.</para>
4079         </listitem>
4080       </itemizedlist>
4081       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4082       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4083       deprecations are not reported for
4084       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4085       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4086       The latter reduces spurious complaints within a library
4087       in which one module gathers together and re-exports 
4088       the exports of several others.
4089       </para>
4090       <para>You can suppress the warnings with the flag
4091       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4092     </sect2>
4093
4094     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4095       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4096
4097       <para>These pragmas control the inlining of function
4098       definitions.</para>
4099
4100       <sect3 id="inline-pragma">
4101         <title>INLINE pragma</title>
4102         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4103
4104         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4105         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4106         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4107         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4108         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4109         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4110         export that unfolding for other modules to use.</para>
4111
4112         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4113         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4114         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4115
4116 <programlisting>
4117 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4118
4119 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4120 {-# INLINE key_function #-}
4121 #endif
4122 </programlisting>
4123
4124         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4125         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4126         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4127
4128         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4129         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4130         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4131         inline it.</para>
4132
4133         <para>Syntactially, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4134         function can be put anywhere its type signature could be
4135         put.</para>
4136
4137         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4138         good idea for the
4139         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4140         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4141         a monad.  For example, in GHC's own
4142         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4143
4144 <programlisting>
4145 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4146 {-# INLINE thenUs #-}
4147 {-# INLINE returnUs #-}
4148 #endif
4149 </programlisting>
4150
4151         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4152         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4153       </sect3>
4154
4155       <sect3 id="noinline-pragma">
4156         <title>NOINLINE pragma</title>
4157         
4158         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4159         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4160
4161         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4162         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4163         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4164         you're very cautious about code size.</para>
4165
4166         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4167         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is
4168         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4169         inlining, so it should be used if you want your code to be
4170         portable).</para>
4171       </sect3>
4172
4173       <sect3 id="phase-control">
4174         <title>Phase control</title>
4175
4176         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4177         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4178         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4179         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4180         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4181         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4182         sequence of phase numbers for successive runs of the
4183         simpifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4184         phase number, thus:</para>
4185
4186         <itemizedlist>
4187           <listitem>
4188             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4189             and all subsequent phases":
4190 <programlisting>
4191   {-# INLINE [2] f #-}
4192 </programlisting>
4193             </para>
4194           </listitem>
4195
4196           <listitem>
4197             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4198             phases up to, but not including, Phase 3":
4199 <programlisting>
4200   {-# INLINE [~3] g #-}
4201 </programlisting>
4202             </para>
4203           </listitem>
4204
4205           <listitem>
4206             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4207             all phases".</para>
4208           </listitem>
4209         </itemizedlist>
4210
4211         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4212
4213         <itemizedlist>
4214           <listitem>
4215             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4216             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4217             there was no pragma at all":
4218 <programlisting>
4219   {-# NOINLINE [2] f #-}
4220 </programlisting>
4221             </para>
4222           </listitem>
4223
4224           <listitem>
4225             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4226             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4227             there was no pragma":
4228 <programlisting>
4229   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4230 </programlisting>
4231             </para>
4232           </listitem>
4233
4234           <listitem>
4235             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4236             inline this function".</para>
4237           </listitem>
4238         </itemizedlist>
4239
4240         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4241         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4242       </sect3>
4243     </sect2>
4244
4245     <sect2 id="line-pragma">
4246       <title>LINE pragma</title>
4247
4248       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4249       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4250       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4251       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4252       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4253       original code; for example</para>
4254
4255 <programlisting>
4256 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
4257 </programlisting>
4258
4259       <para>if you'd generated the current file from something called
4260       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4261       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4262       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4263       pragma.</para>
4264     </sect2>
4265
4266     <sect2 id="options-pragma">
4267       <title>OPTIONS pragma</title>
4268       <indexterm><primary>OPTIONS</primary>
4269       </indexterm>
4270       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS</secondary>
4271       </indexterm>
4272
4273       <para>The <literal>OPTIONS</literal> pragma is used to specify
4274       additional options that are given to the compiler when compiling
4275       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4276       details.</para>
4277     </sect2>
4278
4279     <sect2 id="rules">
4280       <title>RULES pragma</title>
4281
4282       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4283       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4284     </sect2>
4285
4286     <sect2 id="specialize-pragma">
4287       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4288
4289       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4290       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4291       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4292
4293       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4294       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4295       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4296       overloaded function:</para>
4297
4298 <programlisting>
4299 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4300 </programlisting>
4301
4302       <para>If it is heavily used on lists with
4303       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4304       follows:</para>
4305
4306 <programlisting>
4307 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4308 </programlisting>
4309
4310       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4311       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4312
4313       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4314       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4315       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4316       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4317
4318       <para>In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4319       specialised function for a given type:
4320
4321 <programlisting>
4322 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4323 </programlisting>
4324
4325       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4326       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4327
4328     </sect2>
4329
4330 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4331 <title>SPECIALIZE instance pragma
4332 </title>
4333
4334 <para>
4335 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4336 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4337 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4338
4339 <programlisting>
4340 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4341    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4342    ... usual stuff ...
4343  }
4344 </programlisting>
4345 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4346 of the instance declaration.
4347 </para>
4348 <para>
4349 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4350 of the pragma.
4351 </para>
4352
4353 </sect2>
4354
4355     <sect2 id="unpack-pragma">
4356       <title>UNPACK pragma</title>
4357
4358       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4359       
4360       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4361       that it should unpack the contents of a constructor field into
4362       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4363       example:</para>
4364
4365 <programlisting>
4366 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4367            {-# UNPACK #-} !Float
4368 </programlisting>
4369
4370       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4371       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4372       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4373       floats passed to a non-strict function for example, they will
4374       have to be reboxed (this is done automatically by the
4375       compiler).</para>
4376
4377       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4378       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4379       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4380       often as possible.  For example:</para>
4381
4382 <programlisting>
4383 f :: T -&#62; Float
4384 f (T f1 f2) = f1 + f2
4385 </programlisting>
4386
4387       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4388       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4389       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4390
4391       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4392       example</para>
4393
4394 <programlisting>
4395 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4396 </programlisting>
4397
4398       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4399       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4400       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4401
4402 <programlisting>
4403 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4404 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4405 </programlisting>
4406
4407       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4408       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4409       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4410
4411       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4412       so it might be an idea to check the generated code with
4413       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4414
4415       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4416       which essentially has the effect of adding
4417       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4418       constructor field.</para>
4419     </sect2>
4420
4421 </sect1>
4422
4423 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4424
4425 <sect1 id="rewrite-rules">
4426 <title>Rewrite rules
4427
4428 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
4429 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4430 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4431
4432 <para>
4433 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4434 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4435 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4436 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4437 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4438 </para>
4439
4440 <para>
4441 Here is an example:
4442
4443 <programlisting>
4444   {-# RULES
4445         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4446   #-}
4447 </programlisting>
4448
4449 </para>
4450
4451 <sect2>
4452 <title>Syntax</title>
4453
4454 <para>
4455 From a syntactic point of view:
4456
4457 <itemizedlist>
4458 <listitem>
4459
4460 <para>
4461  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4462 </para>
4463 </listitem>
4464
4465 <listitem>
4466
4467 <para>
4468  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4469 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4470 </para>
4471 </listitem>
4472
4473 <listitem>
4474 <para>
4475 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4476 immediately after the name of the rule.  Thus:
4477 <programlisting>
4478   {-# RULES
4479         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4480   #-}
4481 </programlisting>
4482 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4483 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4484 Phase 2.
4485 </para>
4486 </listitem>
4487
4488
4489 <listitem>
4490
4491 <para>
4492  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4493 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4494 enclosing definitions.
4495 </para>
4496 </listitem>
4497
4498 <listitem>
4499
4500 <para>
4501  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4502 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4503 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4504 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4505 </para>
4506 </listitem>
4507 <listitem>
4508
4509 <para>
4510  A pattern variable may optionally have a type signature.
4511 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4512 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4513
4514 <programlisting>
4515 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4516               foldr k z (build g) = g k z
4517 </programlisting>
4518
4519 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4520
4521 </para>
4522 </listitem>
4523 <listitem>
4524
4525 <para>
4526 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
4527 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
4528
4529 <programlisting>
4530 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
4531 "wrong2"   forall f.      f True = True
4532 </programlisting>
4533
4534 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
4535 in the head.
4536 </para>
4537 </listitem>
4538 <listitem>
4539
4540 <para>
4541  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
4542 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
4543 </para>
4544 </listitem>
4545 <listitem>
4546
4547 <para>
4548  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
4549 </para>
4550 </listitem>
4551
4552 </itemizedlist>
4553
4554 </para>
4555
4556 </sect2>
4557
4558 <sect2>
4559 <title>Semantics</title>
4560
4561 <para>
4562 From a semantic point of view:
4563
4564 <itemizedlist>
4565 <listitem>
4566
4567 <para>
4568 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
4569 </para>
4570 </listitem>
4571
4572 <listitem>
4573 <para>
4574  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
4575 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
4576 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
4577 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
4578 expression by substituting for the pattern variables.
4579
4580 </para>
4581 </listitem>
4582 <listitem>
4583
4584 <para>
4585  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
4586 same type.
4587
4588 </para>
4589 </listitem>
4590 <listitem>
4591
4592 <para>
4593  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
4594 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
4595 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
4596
4597 </para>
4598 </listitem>
4599 <listitem>
4600
4601 <para>
4602  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
4603 terminating.  For example:
4604
4605 <programlisting>
4606   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
4607 </programlisting>
4608
4609 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
4610
4611 </para>
4612 </listitem>
4613 <listitem>
4614
4615 <para>
4616  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
4617
4618 </para>
4619 </listitem>
4620 <listitem>
4621 <para>
4622  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
4623 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
4624 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
4625 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
4626 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
4627 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
4628 </para>
4629
4630 <para>
4631 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
4632 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
4633 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
4634 </para>
4635 </listitem>
4636 <listitem>
4637
4638 <para>
4639  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
4640 For example, consider:
4641
4642 <programlisting>
4643   let s = map f
4644       t = map g
4645   in
4646   s (t xs)
4647 </programlisting>
4648
4649 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
4650 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
4651 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
4652 not be substituted, and the rule would not fire.
4653
4654 </para>
4655 </listitem>
4656 <listitem>
4657
4658 <para>
4659  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
4660 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
4661 for something you can't match against it (given the simple minded
4662 matching).  So if you write the rule
4663
4664 <programlisting>
4665         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
4666 </programlisting>
4667
4668 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
4669 It will only match something written with explicit use of ".".
4670 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
4671
4672 <programlisting>
4673 wibble f g xs
4674 </programlisting>
4675
4676 where <function>wibble</function> is defined:
4677
4678 <programlisting>
4679 wibble f g = map f . map g
4680 </programlisting>
4681
4682 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
4683
4684 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
4685 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
4686 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
4687
4688 </para>
4689 </listitem>
4690 <listitem>
4691
4692 <para>
4693  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
4694 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
4695 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
4696 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
4697 declarations.
4698 </para>
4699 </listitem>
4700
4701 </itemizedlist>
4702
4703 </para>
4704
4705 </sect2>
4706
4707 <sect2>
4708 <title>List fusion</title>
4709
4710 <para>
4711 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
4712 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
4713 intermediate list should be eliminated entirely.
4714 </para>
4715
4716 <para>
4717 The following are good producers:
4718
4719 <itemizedlist>
4720 <listitem>
4721
4722 <para>
4723  List comprehensions
4724 </para>
4725 </listitem>
4726 <listitem>
4727
4728 <para>
4729  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
4730 </para>
4731 </listitem>
4732 <listitem>
4733
4734 <para>
4735  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
4736 </para>
4737 </listitem>
4738 <listitem>
4739
4740 <para>
4741  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
4742 </para>
4743 </listitem>
4744 <listitem>
4745
4746 <para>
4747  <function>++</function>
4748 </para>
4749 </listitem>
4750
4751 <listitem>
4752 <para>
4753  <function>map</function>
4754 </para>
4755 </listitem>
4756
4757 <listitem>
4758 <para>
4759  <function>filter</function>
4760 </para>
4761 </listitem>
4762 <listitem>
4763
4764 <para>
4765  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
4766 </para>
4767 </listitem>
4768 <listitem>
4769
4770 <para>
4771  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
4772 </para>
4773 </listitem>
4774
4775 </itemizedlist>
4776
4777 </para>
4778
4779 <para>
4780 The following are good consumers:
4781
4782 <itemizedlist>
4783 <listitem>
4784
4785 <para>
4786  List comprehensions
4787 </para>
4788 </listitem>
4789 <listitem>
4790
4791 <para>
4792  <function>array</function> (on its second argument)
4793 </para>
4794 </listitem>
4795 <listitem>
4796
4797 <para>
4798  <function>length</function>
4799 </para>
4800 </listitem>
4801 <listitem>
4802
4803 <para>
4804  <function>++</function> (on its first argument)
4805 </para>
4806 </listitem>
4807
4808 <listitem>
4809 <para>
4810  <function>foldr</function>
4811 </para>
4812 </listitem>
4813
4814 <listitem>
4815 <para>
4816  <function>map</function>
4817 </para>
4818 </listitem>
4819 <listitem>
4820
4821 <para>
4822  <function>filter</function>
4823 </para>
4824 </listitem>
4825 <listitem>
4826
4827 <para>
4828  <function>concat</function>
4829 </para>
4830 </listitem>
4831 <listitem>
4832
4833 <para>
4834  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
4835 </para>
4836 </listitem>
4837 <listitem>
4838
4839 <para>
4840  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
4841 will fuse with one but not the other)
4842 </para>
4843 </listitem>
4844 <listitem>
4845
4846 <para>
4847  <function>partition</function>
4848 </para>
4849 </listitem>
4850 <listitem>
4851
4852 <para>
4853  <function>head</function>
4854 </para>
4855 </listitem>
4856 <listitem>
4857
4858 <para>
4859  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
4860 </para>
4861 </listitem>
4862 <listitem>
4863
4864 <para>
4865  <function>sequence&lowbar;</function>
4866 </para>
4867 </listitem>
4868 <listitem>
4869
4870 <para>
4871  <function>msum</function>
4872 </para>
4873 </listitem>
4874 <listitem>
4875
4876 <para>
4877  <function>sortBy</function>
4878 </para>
4879 </listitem>
4880
4881 </itemizedlist>
4882
4883 </para>
4884
4885  <para>
4886 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
4887
4888 <programlisting>
4889 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
4890 </programlisting>
4891
4892 </para>
4893
4894 <para>
4895 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
4896 a lot which are not included, please tell us.
4897 </para>
4898
4899 <para>
4900 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
4901 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
4902 </para>
4903
4904 </sect2>
4905
4906 <sect2 id="rule-spec">
4907 <title>Specialisation
4908 </title>
4909
4910 <para>
4911 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
4912 present in earlier versions of GHC.
4913 For example, suppose that:
4914
4915 <programlisting>
4916 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
4917 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
4918 </programlisting>
4919
4920 where <function>intLookup</function> is an implementation of
4921 <function>genericLookup</function> that works very fast for
4922 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
4923 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
4924 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
4925 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
4926 It used to be possible to write
4927
4928 <programlisting>
4929 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
4930 </programlisting>
4931
4932 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
4933
4934 <programlisting>
4935 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
4936 </programlisting>
4937
4938 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
4939 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
4940 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
4941 What is more, this rule does not need to be in the same
4942 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
4943 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
4944 have an original definition available to specialise).
4945 </para>
4946
4947 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
4948 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
4949 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
4950
4951 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
4952 specialisation will Win Big:
4953
4954 <programlisting>
4955 toDouble :: Real a => a -> Double
4956 toDouble = fromRational . toRational
4957
4958 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
4959 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
4960 </programlisting>
4961
4962 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
4963 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
4964 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
4965 comparison.
4966 </para>
4967
4968 </sect2>
4969
4970 <sect2>
4971 <title>Controlling what's going on</title>
4972
4973 <para>
4974
4975 <itemizedlist>
4976 <listitem>
4977
4978 <para>
4979  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
4980 </para>
4981 </listitem>
4982 <listitem>
4983
4984 <para>
4985  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
4986 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
4987 </para>
4988 </listitem>
4989 <listitem>
4990
4991 <para>
4992  The defintion of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
4993
4994 <programlisting>
4995         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
4996         {-# INLINE build #-}
4997         build g = g (:) []
4998 </programlisting>
4999
5000 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5001 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5002 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5003 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5004
5005 </para>
5006 </listitem>
5007 <listitem>
5008
5009 <para>
5010  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5011 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5012 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5013 </para>
5014 </listitem>
5015
5016 </itemizedlist>
5017
5018 </para>
5019
5020 </sect2>
5021
5022 <sect2 id="core-pragma">
5023   <title>CORE pragma</title>
5024
5025   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5026   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5027   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5028
5029 <para>
5030   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5031   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5032   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5033   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5034   literal as an argument.  The following function definition shows an
5035   example:
5036
5037 <programlisting>
5038 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5039 </programlisting>
5040
5041   Sematically, this is equivalent to:
5042
5043 <programlisting>
5044 g x = show x
5045 </programlisting>
5046 </para>
5047
5048 <para>
5049   However, when external for is generated (via
5050   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5051   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5052   The core function declaration for <function>f</function> is:
5053 </para>
5054
5055 <programlisting>
5056   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5057                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5058     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5059         (%note "foo"
5060          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5061            {GHCziShow.ZCDShow
5062             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5063                    a ->
5064                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5065 r)
5066             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5067             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5068                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5069 r) ->
5070               tpl2})
5071         (%note "foo"
5072          eta);
5073 </programlisting>
5074
5075 <para>
5076   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5077   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5078   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5079   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5080   <varname>x</varname>).
5081 </para>
5082
5083 </sect2>
5084
5085 </sect1>
5086
5087 <sect1 id="generic-classes">
5088 <title>Generic classes</title>
5089
5090     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5091     GHC 5.02).</para>
5092
5093 <para>
5094 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5095 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5096 An example will give the idea:
5097 </para>
5098
5099 <programlisting>
5100   import Generics
5101
5102   class Bin a where
5103     toBin   :: a -> [Int]
5104     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5105   
5106     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5107     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5108     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5109     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5110   
5111     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5112     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5113     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5114     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5115                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5116 </programlisting>
5117 <para>
5118 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5119 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5120 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5121 </para>
5122 <programlisting>
5123   data Unit    = Unit
5124   data a :+: b = Inl a | Inr b
5125   data a :*: b = a :*: b
5126 </programlisting>
5127 <para>
5128 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5129 <programlisting>
5130   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5131   instance Bin a => Bin [a]
5132 </programlisting>
5133 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5134 where clause and over-ride whichever methods you please.
5135 </para>
5136
5137     <sect2>
5138       <title> Using generics </title>
5139       <para>To use generics you need to</para>
5140       <itemizedlist>
5141         <listitem>
5142           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5143                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5144                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5145                 available.  </para>
5146         </listitem>
5147         <listitem>
5148           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5149           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5150           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5151           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5152           don't need this import if you don't mention these types
5153           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5154           declarations.)</para>
5155         </listitem>
5156       </itemizedlist>
5157     </sect2>
5158
5159 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5160 <para>
5161 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5162 can be written infix (indeed, you can now use
5163 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5164 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5165 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5166 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5167 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5168 anticipate wanting).
5169 </para>
5170 </sect2>
5171
5172 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5173 <para>
5174 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5175 is one that is defined using type patterns as above.
5176 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5177 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5178 generic default method.
5179 </para>
5180
5181 <para>
5182 Restrictions:
5183 <itemizedlist>
5184 <listitem>
5185 <para>
5186 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5187 field labels.
5188 </para>
5189 </listitem>
5190
5191 <listitem>
5192 <para>
5193 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5194 multi-parameter class.
5195 </para>
5196 </listitem>
5197
5198 <listitem>
5199 <para>
5200 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5201 without.  So this is illegal:
5202 <programlisting>
5203   class Foo a where
5204     op :: a -> (a, Bool)
5205     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5206     op x               = (x,    False)
5207 </programlisting>
5208 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5209 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5210 </para>
5211 </listitem>
5212
5213 <listitem>
5214 <para>
5215 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5216 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:
5217 <programlisting>
5218   class Foo a where
5219     op :: a -> Bool
5220     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5221     ...
5222 </programlisting>
5223 </para>
5224 </listitem>
5225
5226 <listitem>
5227 <para>
5228 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5229 <programlisting>
5230        a :+: b
5231        a :*: b
5232        Unit
5233 </programlisting>
5234 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5235 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5236 must use the same type variables.  So this is illegal:
5237 <programlisting>
5238   class Foo a where
5239     op :: a -> Bool
5240     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5241     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5242 </programlisting>
5243 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5244 So this too is illegal:
5245 <programlisting>
5246   class Foo a where
5247     op1 :: a -> Bool
5248     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5249
5250     op2 :: a -> Bool
5251     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5252 </programlisting>
5253 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5254 into a single generic instance declaration.)
5255 </para>
5256 </listitem>
5257
5258 <listitem>
5259 <para>
5260 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5261 </para>
5262 </listitem>
5263
5264 <listitem>
5265 <para>
5266 The type for a generic method can be built only from:
5267   <itemizedlist>
5268   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5269   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5270   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5271   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5272   </itemizedlist>
5273 Here are some example type signatures for generic methods:
5274 <programlisting>
5275     op1 :: a -> Bool
5276     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5277     op3 :: [Int] -> a -> a
5278     op4 :: [a] -> Bool
5279 </programlisting>
5280 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5281 inside a list.  
5282 </para>
5283 <para>
5284 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5285 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5286 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5287 to the ones that are allowed.</para>
5288 </listitem>
5289
5290 <listitem>
5291 <para>
5292 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5293 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5294 do so if
5295   <itemizedlist>
5296   <listitem>
5297   <para>
5298   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5299   </para>
5300   </listitem>
5301   <listitem>
5302   <para>
5303   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5304   </para>
5305   </listitem>
5306   </itemizedlist>
5307 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5308 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5309 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5310 </para>
5311 </listitem>
5312
5313 </itemizedlist>
5314 </para>
5315
5316 <para>
5317 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5318 what the compiler does with generic declarations.
5319 </para>
5320
5321 </sect2>
5322
5323 <sect2> <title> Another example </title>
5324 <para>
5325 Just to finish with, here's another example I rather like:
5326 <programlisting>
5327   class Tag a where
5328     nCons :: a -> Int
5329     nCons {| Unit |}    _ = 1
5330     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5331     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5332   
5333     tag :: a -> Int
5334     tag {| Unit |}    _       = 1
5335     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5336     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5337     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5338 </programlisting>
5339 </para>
5340 </sect2>
5341 </sect1>
5342
5343
5344
5345 <!-- Emacs stuff:
5346      ;;; Local Variables: ***
5347      ;;; mode: xml ***
5348      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5349      ;;; End: ***
5350  -->
5351