[project @ 2005-10-28 08:16:54 by simonmar]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.xml
1 <?xml version="1.0" encoding="iso-8859-1"?>
2 <para>
3 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
4 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
5 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
6 the language.  They are all enabled by options; by default GHC
7 understands only plain Haskell 98.
8 </para>
9
10 <para>
11 Some of the Glasgow extensions serve to give you access to the
12 underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you can
13 get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-portable
14 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo;
15 on performance because of the implementation costs of Haskell's
16 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code
17 &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your
18 time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
19 </para>
20
21 <para>
22 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
23 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
24 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
25 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
26 separate <ulink url="../libraries/index.html">libraries
27 documentation</ulink> describes all the libraries that come with GHC.
28 </para>
29
30 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
31   <sect1 id="options-language">
32     <title>Language options</title>
33
34     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
35     </indexterm>
36     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
37     </indexterm>
38     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
39     </indexterm>
40
41     <para>These flags control what variation of the language are
42     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
43     98.</para>
44
45     <para>NB. turning on an option that enables special syntax
46     <emphasis>might</emphasis> cause working Haskell 98 code to fail
47     to compile, perhaps because it uses a variable name which has
48     become a reserved word.  So, together with each option below, we
49     list the special syntax which is enabled by this option.  We use
50     notation and nonterminal names from the Haskell 98 lexical syntax
51     (see the Haskell 98 Report).  There are two classes of special
52     syntax:</para>
53
54     <itemizedlist>
55       <listitem>
56         <para>New reserved words and symbols: character sequences
57         which are no longer available for use as identifiers in the
58         program.</para>
59       </listitem>
60       <listitem>
61         <para>Other special syntax: sequences of characters that have
62         a different meaning when this particular option is turned
63         on.</para>
64       </listitem>
65     </itemizedlist>
66
67     <para>We are only listing syntax changes here that might affect
68     existing working programs (i.e. "stolen" syntax).  Many of these
69     extensions will also enable new context-free syntax, but in all
70     cases programs written to use the new syntax would not be
71     compilable without the option enabled.</para>
72
73     <variablelist>
74
75       <varlistentry>
76         <term>
77           <option>-fglasgow-exts</option>:
78           <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
79         </term>
80         <listitem>
81           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
82           Haskell 98 described in <xref
83           linkend="ghc-language-features"/>, except where otherwise
84           noted. </para>
85
86           <para>New reserved words: <literal>forall</literal> (only in
87           types), <literal>mdo</literal>.</para>
88
89           <para>Other syntax stolen:
90               <replaceable>varid</replaceable>{<literal>&num;</literal>},
91               <replaceable>char</replaceable><literal>&num;</literal>,      
92               <replaceable>string</replaceable><literal>&num;</literal>,    
93               <replaceable>integer</replaceable><literal>&num;</literal>,    
94               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;</literal>,    
95               <replaceable>float</replaceable><literal>&num;&num;</literal>,    
96               <literal>(&num;</literal>, <literal>&num;)</literal>,         
97               <literal>|)</literal>, <literal>{|</literal>.</para>
98         </listitem>
99       </varlistentry>
100
101       <varlistentry>
102         <term>
103           <option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:
104           <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
105           <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
106         </term>
107         <listitem>
108           <para>This option enables the language extension defined in the
109           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
110           syntax of previous versions of the FFI for backwards
111           compatibility.</para> 
112
113           <para>New reserved words: <literal>foreign</literal>.</para>
114         </listitem>
115       </varlistentry>
116
117       <varlistentry>
118         <term>
119           <option>-fno-monomorphism-restriction</option>:
120           <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
121         </term>
122         <listitem>
123           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
124           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
125           flag. </para>
126         </listitem>
127       </varlistentry>
128
129       <varlistentry>
130         <term>
131           <option>-fallow-overlapping-instances</option>
132           <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
133         </term>
134         <term>
135           <option>-fallow-undecidable-instances</option>
136           <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
137         </term>
138         <term>
139           <option>-fallow-incoherent-instances</option>
140           <indexterm><primary><option>-fallow-incoherent-instances</option></primary></indexterm>
141         </term>
142         <term>
143           <option>-fcontext-stack</option>
144           <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
145         </term>
146         <listitem>
147           <para> See <xref linkend="instance-decls"/>.  Only relevant
148           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
149         </listitem>
150       </varlistentry>
151
152       <varlistentry>
153         <term>
154           <option>-finline-phase</option>
155           <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
156         </term>
157         <listitem>
158           <para>See <xref linkend="rewrite-rules"/>.  Only relevant if
159           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
160         </listitem>
161       </varlistentry>
162
163       <varlistentry>
164         <term>
165           <option>-farrows</option>
166           <indexterm><primary><option>-farrows</option></primary></indexterm>
167         </term>
168         <listitem>
169           <para>See <xref linkend="arrow-notation"/>.  Independent of
170           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
171
172           <para>New reserved words/symbols: <literal>rec</literal>,
173           <literal>proc</literal>, <literal>-&lt;</literal>,
174           <literal>&gt;-</literal>, <literal>-&lt;&lt;</literal>,
175           <literal>&gt;&gt;-</literal>.</para>
176
177           <para>Other syntax stolen: <literal>(|</literal>,
178           <literal>|)</literal>.</para>
179         </listitem>
180       </varlistentry>
181
182       <varlistentry>
183         <term>
184           <option>-fgenerics</option>
185           <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
186         </term>
187         <listitem>
188           <para>See <xref linkend="generic-classes"/>.  Independent of
189           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
190         </listitem>
191       </varlistentry>
192
193       <varlistentry>
194         <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
195         <listitem>
196           <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
197           option</primary></indexterm> GHC normally imports
198           <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
199           rather it didn't, then give it a
200           <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea is
201           that you can then import a Prelude of your own.  (But don't
202           call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell module
203           namespace is flat, and you must not conflict with any
204           Prelude module.)</para>
205
206           <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
207           the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
208           Prelude types and values, as specified by the Haskell
209           Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
210           still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
211           continue to refer to the standard Prelude tuples; the
212           translation for list comprehensions continues to use
213           <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
214
215           <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
216           change the handling of certain built-in syntax: see <xref
217           linkend="rebindable-syntax"/>.</para>
218         </listitem>
219       </varlistentry>
220
221       <varlistentry>
222         <term><option>-fimplicit-params</option></term>
223         <listitem>
224           <para>Enables implicit parameters (see <xref
225           linkend="implicit-parameters"/>).  Currently also implied by 
226           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
227
228           <para>Syntax stolen:
229           <literal>?<replaceable>varid</replaceable></literal>,
230           <literal>%<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
231         </listitem>
232       </varlistentry>
233
234       <varlistentry>
235         <term><option>-fscoped-type-variables</option></term>
236         <listitem>
237           <para>Enables lexically-scoped type variables (see <xref
238           linkend="scoped-type-variables"/>).  Implied by
239           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
240         </listitem>
241       </varlistentry>
242
243       <varlistentry>
244         <term><option>-fth</option></term>
245         <listitem>
246           <para>Enables Template Haskell (see <xref
247           linkend="template-haskell"/>).  Currently also implied by
248           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
249
250           <para>Syntax stolen: <literal>[|</literal>,
251           <literal>[e|</literal>, <literal>[p|</literal>,
252           <literal>[d|</literal>, <literal>[t|</literal>,
253           <literal>$(</literal>,
254           <literal>$<replaceable>varid</replaceable></literal>.</para>
255         </listitem>
256       </varlistentry>
257
258     </variablelist>
259   </sect1>
260
261 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
262 <!--    included from primitives.sgml  -->
263 <!-- &primitives; -->
264 <sect1 id="primitives">
265   <title>Unboxed types and primitive operations</title>
266
267 <para>GHC is built on a raft of primitive data types and operations.
268 While you really can use this stuff to write fast code,
269   we generally find it a lot less painful, and more satisfying in the
270   long run, to use higher-level language features and libraries.  With
271   any luck, the code you write will be optimised to the efficient
272   unboxed version in any case.  And if it isn't, we'd like to know
273   about it.</para>
274
275 <para>We do not currently have good, up-to-date documentation about the
276 primitives, perhaps because they are mainly intended for internal use.
277 There used to be a long section about them here in the User Guide, but it
278 became out of date, and wrong information is worse than none.</para>
279
280 <para>The Real Truth about what primitive types there are, and what operations
281 work over those types, is held in the file
282 <filename>fptools/ghc/compiler/prelude/primops.txt.pp</filename>.
283 This file is used directly to generate GHC's primitive-operation definitions, so
284 it is always correct!  It is also intended for processing into text.</para>
285
286 <para> Indeed,
287 the result of such processing is part of the description of the 
288  <ulink
289       url="http://haskell.cs.yale.edu/ghc/docs/papers/core.ps.gz">External
290          Core language</ulink>.
291 So that document is a good place to look for a type-set version.
292 We would be very happy if someone wanted to volunteer to produce an SGML
293 back end to the program that processes <filename>primops.txt</filename> so that
294 we could include the results here in the User Guide.</para>
295
296 <para>What follows here is a brief summary of some main points.</para>
297   
298 <sect2 id="glasgow-unboxed">
299 <title>Unboxed types
300 </title>
301
302 <para>
303 <indexterm><primary>Unboxed types (Glasgow extension)</primary></indexterm>
304 </para>
305
306 <para>Most types in GHC are <firstterm>boxed</firstterm>, which means
307 that values of that type are represented by a pointer to a heap
308 object.  The representation of a Haskell <literal>Int</literal>, for
309 example, is a two-word heap object.  An <firstterm>unboxed</firstterm>
310 type, however, is represented by the value itself, no pointers or heap
311 allocation are involved.
312 </para>
313
314 <para>
315 Unboxed types correspond to the &ldquo;raw machine&rdquo; types you
316 would use in C: <literal>Int&num;</literal> (long int),
317 <literal>Double&num;</literal> (double), <literal>Addr&num;</literal>
318 (void *), etc.  The <emphasis>primitive operations</emphasis>
319 (PrimOps) on these types are what you might expect; e.g.,
320 <literal>(+&num;)</literal> is addition on
321 <literal>Int&num;</literal>s, and is the machine-addition that we all
322 know and love&mdash;usually one instruction.
323 </para>
324
325 <para>
326 Primitive (unboxed) types cannot be defined in Haskell, and are
327 therefore built into the language and compiler.  Primitive types are
328 always unlifted; that is, a value of a primitive type cannot be
329 bottom.  We use the convention that primitive types, values, and
330 operations have a <literal>&num;</literal> suffix.
331 </para>
332
333 <para>
334 Primitive values are often represented by a simple bit-pattern, such
335 as <literal>Int&num;</literal>, <literal>Float&num;</literal>,
336 <literal>Double&num;</literal>.  But this is not necessarily the case:
337 a primitive value might be represented by a pointer to a
338 heap-allocated object.  Examples include
339 <literal>Array&num;</literal>, the type of primitive arrays.  A
340 primitive array is heap-allocated because it is too big a value to fit
341 in a register, and would be too expensive to copy around; in a sense,
342 it is accidental that it is represented by a pointer.  If a pointer
343 represents a primitive value, then it really does point to that value:
344 no unevaluated thunks, no indirections&hellip;nothing can be at the
345 other end of the pointer than the primitive value.
346 A numerically-intensive program using unboxed types can
347 go a <emphasis>lot</emphasis> faster than its &ldquo;standard&rdquo;
348 counterpart&mdash;we saw a threefold speedup on one example.
349 </para>
350
351 <para>
352 There are some restrictions on the use of primitive types:
353 <itemizedlist>
354 <listitem><para>The main restriction
355 is that you can't pass a primitive value to a polymorphic
356 function or store one in a polymorphic data type.  This rules out
357 things like <literal>[Int&num;]</literal> (i.e. lists of primitive
358 integers).  The reason for this restriction is that polymorphic
359 arguments and constructor fields are assumed to be pointers: if an
360 unboxed integer is stored in one of these, the garbage collector would
361 attempt to follow it, leading to unpredictable space leaks.  Or a
362 <function>seq</function> operation on the polymorphic component may
363 attempt to dereference the pointer, with disastrous results.  Even
364 worse, the unboxed value might be larger than a pointer
365 (<literal>Double&num;</literal> for instance).
366 </para>
367 </listitem>
368 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
369 in a <emphasis>top-level</emphasis> binding.
370 </para></listitem>
371 <listitem><para> You cannot bind a variable with an unboxed type
372 in a <emphasis>recursive</emphasis> binding.
373 </para></listitem>
374 <listitem><para> You may bind unboxed variables in a (non-recursive,
375 non-top-level) pattern binding, but any such variable causes the entire
376 pattern-match
377 to become strict.  For example:
378 <programlisting>
379   data Foo = Foo Int Int#
380
381   f x = let (Foo a b, w) = ..rhs.. in ..body..
382 </programlisting>
383 Since <literal>b</literal> has type <literal>Int#</literal>, the entire pattern
384 match
385 is strict, and the program behaves as if you had written
386 <programlisting>
387   data Foo = Foo Int Int#
388
389   f x = case ..rhs.. of { (Foo a b, w) -> ..body.. }
390 </programlisting>
391 </para>
392 </listitem>
393 </itemizedlist>
394 </para>
395
396 </sect2>
397
398 <sect2 id="unboxed-tuples">
399 <title>Unboxed Tuples
400 </title>
401
402 <para>
403 Unboxed tuples aren't really exported by <literal>GHC.Exts</literal>,
404 they're available by default with <option>-fglasgow-exts</option>.  An
405 unboxed tuple looks like this:
406 </para>
407
408 <para>
409
410 <programlisting>
411 (# e_1, ..., e_n #)
412 </programlisting>
413
414 </para>
415
416 <para>
417 where <literal>e&lowbar;1..e&lowbar;n</literal> are expressions of any
418 type (primitive or non-primitive).  The type of an unboxed tuple looks
419 the same.
420 </para>
421
422 <para>
423 Unboxed tuples are used for functions that need to return multiple
424 values, but they avoid the heap allocation normally associated with
425 using fully-fledged tuples.  When an unboxed tuple is returned, the
426 components are put directly into registers or on the stack; the
427 unboxed tuple itself does not have a composite representation.  Many
428 of the primitive operations listed in <literal>primops.txt.pp</literal> return unboxed
429 tuples.
430 In particular, the <literal>IO</literal> and <literal>ST</literal> monads use unboxed
431 tuples to avoid unnecessary allocation during sequences of operations.
432 </para>
433
434 <para>
435 There are some pretty stringent restrictions on the use of unboxed tuples:
436 <itemizedlist>
437 <listitem>
438
439 <para>
440 Values of unboxed tuple types are subject to the same restrictions as
441 other unboxed types; i.e. they may not be stored in polymorphic data
442 structures or passed to polymorphic functions.
443
444 </para>
445 </listitem>
446 <listitem>
447
448 <para>
449 No variable can have an unboxed tuple type, nor may a constructor or function
450 argument have an unboxed tuple type.  The following are all illegal:
451
452
453 <programlisting>
454   data Foo = Foo (# Int, Int #)
455
456   f :: (# Int, Int #) -&#62; (# Int, Int #)
457   f x = x
458
459   g :: (# Int, Int #) -&#62; Int
460   g (# a,b #) = a
461
462   h x = let y = (# x,x #) in ...
463 </programlisting>
464 </para>
465 </listitem>
466 </itemizedlist>
467 </para>
468 <para>
469 The typical use of unboxed tuples is simply to return multiple values,
470 binding those multiple results with a <literal>case</literal> expression, thus:
471 <programlisting>
472   f x y = (# x+1, y-1 #)
473   g x = case f x x of { (# a, b #) -&#62; a + b }
474 </programlisting>
475 You can have an unboxed tuple in a pattern binding, thus
476 <programlisting>
477   f x = let (# p,q #) = h x in ..body..
478 </programlisting>
479 If the types of <literal>p</literal> and <literal>q</literal> are not unboxed,
480 the resulting binding is lazy like any other Haskell pattern binding.  The 
481 above example desugars like this:
482 <programlisting>
483   f x = let t = case h x o f{ (# p,q #) -> (p,q)
484             p = fst t
485             q = snd t
486         in ..body..
487 </programlisting>
488 Indeed, the bindings can even be recursive.
489 </para>
490
491 </sect2>
492 </sect1>
493
494
495 <!-- ====================== SYNTACTIC EXTENSIONS =======================  -->
496
497 <sect1 id="syntax-extns">
498 <title>Syntactic extensions</title>
499  
500     <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
501
502     <sect2 id="hierarchical-modules">
503       <title>Hierarchical Modules</title>
504
505       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
506       names: a module name is allowed to contain a dot
507       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
508       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
509       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
510       more flexible hierarchy of modules.</para>
511
512       <para>This extension has very little impact on the language
513       itself; modules names are <emphasis>always</emphasis> fully
514       qualified, so you can just think of the fully qualified module
515       name as <quote>the module name</quote>.  In particular, this
516       means that the full module name must be given after the
517       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
518       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
519       begin</para>
520
521 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
522
523
524       <para>It is a common strategy to use the <literal>as</literal>
525       keyword to save some typing when using qualified names with
526       hierarchical modules.  For example:</para>
527
528 <programlisting>
529 import qualified Control.Monad.ST.Strict as ST
530 </programlisting>
531
532       <para>For details on how GHC searches for source and interface
533       files in the presence of hierarchical modules, see <xref
534       linkend="search-path"/>.</para>
535
536       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
537       hierarchically; see the accompanying library documentation.
538       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
539       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
540       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
541       current status of that project.  For more details, see <ulink
542       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">Haskell
543       Libraries</ulink>.</para>
544
545     </sect2>
546
547     <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
548
549 <sect2 id="pattern-guards">
550 <title>Pattern guards</title>
551
552 <para>
553 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
554 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ulink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
555 </para>
556
557 <para>
558 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
559 lookup operation:
560
561 <programlisting>
562 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
563 </programlisting>
564
565 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
566 where <varname>v</varname> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
567 </para>
568
569 <programlisting>
570 clunky env var1 var2 | ok1 &amp;&amp; ok2 = val1 + val2
571 | otherwise  = var1 + var2
572 where
573   m1 = lookup env var1
574   m2 = lookup env var2
575   ok1 = maybeToBool m1
576   ok2 = maybeToBool m2
577   val1 = expectJust m1
578   val2 = expectJust m2
579 </programlisting>
580
581 <para>
582 The auxiliary functions are 
583 </para>
584
585 <programlisting>
586 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
587 maybeToBool (Just x) = True
588 maybeToBool Nothing  = False
589
590 expectJust :: Maybe a -&gt; a
591 expectJust (Just x) = x
592 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
593 </programlisting>
594
595 <para>
596 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &amp;&amp;
597 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
598 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
599 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
600 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
601 returned values to <varname>val1</varname> and <varname>val2</varname>
602 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
603 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
604 </para>
605
606 <para>
607 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
608 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
609 to write clunky would be to use case expressions:
610 </para>
611
612 <programlisting>
613 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
614   Nothing -&gt; fail
615   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
616     Nothing -&gt; fail
617     Just val2 -&gt; val1 + val2
618 where
619   fail = val1 + val2
620 </programlisting>
621
622 <para>
623 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
624 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
625 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
626 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
627 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
628 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
629 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
630 tends to become more and more indented. 
631 </para>
632
633 <para>
634 Here is how I would write clunky:
635 </para>
636
637 <programlisting>
638 clunky env var1 var1
639   | Just val1 &lt;- lookup env var1
640   , Just val2 &lt;- lookup env var2
641   = val1 + val2
642 ...other equations for clunky...
643 </programlisting>
644
645 <para>
646 The semantics should be clear enough.  The qualifiers are matched in order. 
647 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
648 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
649 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
650 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
651 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
652 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
653 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
654 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
655 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
656 </para>
657
658 <para>
659 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
660 with among the pattern guards.  For example:
661 </para>
662
663 <programlisting>
664 f x | [y] &lt;- x
665     , y > 3
666     , Just z &lt;- h y
667     = ...
668 </programlisting>
669
670 <para>
671 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
672 qualifier list has just one element, a boolean expression.
673 </para>
674 </sect2>
675
676     <!-- ===================== Recursive do-notation ===================  -->
677
678 <sect2 id="mdo-notation">
679 <title>The recursive do-notation
680 </title>
681
682 <para> The recursive do-notation (also known as mdo-notation) is implemented as described in
683 "A recursive do for Haskell",
684 Levent Erkok, John Launchbury",
685 Haskell Workshop 2002, pages: 29-37. Pittsburgh, Pennsylvania. 
686 </para>
687 <para>
688 The do-notation of Haskell does not allow <emphasis>recursive bindings</emphasis>,
689 that is, the variables bound in a do-expression are visible only in the textually following 
690 code block. Compare this to a let-expression, where bound variables are visible in the entire binding
691 group. It turns out that several applications can benefit from recursive bindings in
692 the do-notation, and this extension provides the necessary syntactic support.
693 </para>
694 <para>
695 Here is a simple (yet contrived) example:
696 </para>
697 <programlisting>
698 import Control.Monad.Fix
699
700 justOnes = mdo xs &lt;- Just (1:xs)
701                return xs
702 </programlisting>
703 <para>
704 As you can guess <literal>justOnes</literal> will evaluate to <literal>Just [1,1,1,...</literal>.
705 </para>
706
707 <para>
708 The Control.Monad.Fix library introduces the <literal>MonadFix</literal> class. It's definition is:
709 </para>
710 <programlisting>
711 class Monad m => MonadFix m where
712    mfix :: (a -> m a) -> m a
713 </programlisting>
714 <para>
715 The function <literal>mfix</literal>
716 dictates how the required recursion operation should be performed. If recursive bindings are required for a monad,
717 then that monad must be declared an instance of the <literal>MonadFix</literal> class.
718 For details, see the above mentioned reference.
719 </para>
720 <para>
721 The following instances of <literal>MonadFix</literal> are automatically provided: List, Maybe, IO. 
722 Furthermore, the Control.Monad.ST and Control.Monad.ST.Lazy modules provide the instances of the MonadFix class 
723 for Haskell's internal state monad (strict and lazy, respectively).
724 </para>
725 <para>
726 There are three important points in using the recursive-do notation:
727 <itemizedlist>
728 <listitem><para>
729 The recursive version of the do-notation uses the keyword <literal>mdo</literal> (rather
730 than <literal>do</literal>).
731 </para></listitem>
732
733 <listitem><para>
734 You should <literal>import Control.Monad.Fix</literal>.
735 (Note: Strictly speaking, this import is required only when you need to refer to the name
736 <literal>MonadFix</literal> in your program, but the import is always safe, and the programmers
737 are encouraged to always import this module when using the mdo-notation.)
738 </para></listitem>
739
740 <listitem><para>
741 As with other extensions, ghc should be given the flag <literal>-fglasgow-exts</literal>
742 </para></listitem>
743 </itemizedlist>
744 </para>
745
746 <para>
747 The web page: <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb">http://www.cse.ogi.edu/PacSoft/projects/rmb</ulink>
748 contains up to date information on recursive monadic bindings.
749 </para>
750
751 <para>
752 Historical note: The old implementation of the mdo-notation (and most
753 of the existing documents) used the name
754 <literal>MonadRec</literal> for the class and the corresponding library.
755 This name is not supported by GHC.
756 </para>
757
758 </sect2>
759
760
761    <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
762
763   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
764     <title>Parallel List Comprehensions</title>
765     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
766     </indexterm>
767     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
768     </indexterm>
769
770     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
771     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
772     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
773     extend this to include the zipWith family.</para>
774
775     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
776     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
777     example, the following zips together two lists:</para>
778
779 <programlisting>
780    [ (x, y) | x &lt;- xs | y &lt;- ys ] 
781 </programlisting>
782
783     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
784     zip, in that the resulting list will have the same length as the
785     shortest branch.</para>
786
787     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
788     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
789
790     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
791
792 <programlisting>
793    [ e | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ... 
794        | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ... 
795        ... 
796    ] 
797 </programlisting>
798
799     <para>This will be translated to: </para>
800
801 <programlisting>
802    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) &lt;- zipN [(p1,p2) | p1 &lt;- e11, p2 &lt;- e12, ...] 
803                                          [(q1,q2) | q1 &lt;- e21, q2 &lt;- e22, ...] 
804                                          ... 
805    ] 
806 </programlisting>
807
808     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
809     branches.</para>
810
811   </sect2>
812
813 <sect2 id="rebindable-syntax">
814 <title>Rebindable syntax</title>
815
816
817       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
818       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
819       with a home-grown version, for example.</para>
820
821             <para>You may want to define your own numeric class
822             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
823             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
824             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
825             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
826             the following pieces of built-in syntax to refer to
827             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
828             versions:
829
830             <itemizedlist>
831               <listitem>
832                 <para>An integer literal <literal>368</literal> means
833                 "<literal>fromInteger (368::Integer)</literal>", rather than
834                 "<literal>Prelude.fromInteger (368::Integer)</literal>".
835 </para> </listitem>         
836
837       <listitem><para>Fractional literals are handed in just the same way,
838           except that the translation is 
839               <literal>fromRational (3.68::Rational)</literal>.
840 </para> </listitem>         
841
842           <listitem><para>The equality test in an overloaded numeric pattern
843               uses whatever <literal>(==)</literal> is in scope.
844 </para> </listitem>         
845
846           <listitem><para>The subtraction operation, and the
847           greater-than-or-equal test, in <literal>n+k</literal> patterns
848               use whatever <literal>(-)</literal> and <literal>(>=)</literal> are in scope.
849               </para></listitem>
850
851               <listitem>
852                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
853                 means "<literal>negate (f x)</literal>", both in numeric
854                 patterns, and expressions.
855               </para></listitem>
856
857               <listitem>
858           <para>"Do" notation is translated using whatever
859               functions <literal>(>>=)</literal>,
860               <literal>(>>)</literal>, and <literal>fail</literal>,
861               are in scope (not the Prelude
862               versions).  List comprehensions, mdo (<xref linkend="mdo-notation"/>), and parallel array
863               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
864
865               <listitem>
866                 <para>Arrow
867                 notation (see <xref linkend="arrow-notation"/>)
868                 uses whatever <literal>arr</literal>,
869                 <literal>(>>>)</literal>, <literal>first</literal>,
870                 <literal>app</literal>, <literal>(|||)</literal> and
871                 <literal>loop</literal> functions are in scope. But unlike the
872                 other constructs, the types of these functions must match the
873                 Prelude types very closely.  Details are in flux; if you want
874                 to use this, ask!
875               </para></listitem>
876             </itemizedlist>
877 In all cases (apart from arrow notation), the static semantics should be that of the desugared form,
878 even if that is a little unexpected. For emample, the 
879 static semantics of the literal <literal>368</literal>
880 is exactly that of <literal>fromInteger (368::Integer)</literal>; it's fine for
881 <literal>fromInteger</literal> to have any of the types:
882 <programlisting>
883 fromInteger :: Integer -> Integer
884 fromInteger :: forall a. Foo a => Integer -> a
885 fromInteger :: Num a => a -> Integer
886 fromInteger :: Integer -> Bool -> Bool
887 </programlisting>
888 </para>
889                 
890              <para>Be warned: this is an experimental facility, with
891              fewer checks than usual.  Use <literal>-dcore-lint</literal>
892              to typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy
893              you should be all right.</para>
894
895 </sect2>
896 </sect1>
897
898
899 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
900 <sect1 id="type-extensions">
901 <title>Type system extensions</title>
902
903
904 <sect2>
905 <title>Data types and type synonyms</title>
906
907 <sect3 id="nullary-types">
908 <title>Data types with no constructors</title>
909
910 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
911 a data type with no constructors.  For example:</para>
912
913 <programlisting>
914   data S      -- S :: *
915   data T a    -- T :: * -> *
916 </programlisting>
917
918 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
919 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
920 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
921 (see <xref linkend="sec-kinding"/>).</para>
922
923 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
924 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
925 </sect3>
926
927 <sect3 id="infix-tycons">
928 <title>Infix type constructors, classes, and type variables</title>
929
930 <para>
931 GHC allows type constructors, classes, and type variables to be operators, and
932 to be written infix, very much like expressions.  More specifically:
933 <itemizedlist>
934 <listitem><para>
935   A type constructor or class can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
936   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
937   </para></listitem>
938 <listitem><para>
939   Data type and type-synonym declarations can be written infix, parenthesised
940   if you want further arguments.  E.g.
941 <screen>
942   data a :*: b = Foo a b
943   type a :+: b = Either a b
944   class a :=: b where ...
945
946   data (a :**: b) x = Baz a b x
947   type (a :++: b) y = Either (a,b) y
948 </screen>
949   </para></listitem>
950 <listitem><para>
951   Types, and class constraints, can be written infix.  For example
952   <screen>
953         x :: Int :*: Bool
954         f :: (a :=: b) => a -> b
955   </screen>
956   </para></listitem>
957 <listitem><para>
958   A type variable can be an (unqualified) operator e.g. <literal>+</literal>.
959   The lexical syntax is the same as that for variable operators, excluding "(.)",
960   "(!)", and "(*)".  In a binding position, the operator must be
961   parenthesised.  For example:
962 <programlisting>
963    type T (+) = Int + Int
964    f :: T Either
965    f = Left 3
966  
967    liftA2 :: Arrow (~>)
968           => (a -> b -> c) -> (e ~> a) -> (e ~> b) -> (e ~> c)
969    liftA2 = ...
970 </programlisting>
971   </para></listitem>
972 <listitem><para>
973   Back-quotes work
974   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
975   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
976   </para></listitem>
977 <listitem><para>
978   Fixities may be declared for type constructors, or classes, just as for data constructors.  However,
979   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
980   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
981 <screen>
982   infixl 7 T, :*:
983 </screen>
984   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
985   and similarly for <literal>:*:</literal>.
986   <literal>Int `a` Bool</literal>.
987   </para></listitem>
988 <listitem><para>
989   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
990   </para></listitem>
991
992 </itemizedlist>
993 </para>
994 </sect3>
995
996 <sect3 id="type-synonyms">
997 <title>Liberalised type synonyms</title>
998
999 <para>
1000 Type synonyms are like macros at the type level, and
1001 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1002 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1003 <itemizedlist>
1004 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1005 in a type synonym, thus:
1006 <programlisting>
1007   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1008
1009   f :: Discard a
1010   f x y = (x, show y)
1011
1012   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1013   g f = f Int True
1014 </programlisting>
1015 </para>
1016 </listitem>
1017
1018 <listitem><para>
1019 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1020 <programlisting>
1021   type Pr = (# Int, Int #)
1022
1023   h :: Int -> Pr
1024   h x = (# x, x #)
1025 </programlisting>
1026 </para></listitem>
1027
1028 <listitem><para>
1029 You can apply a type synonym to a forall type:
1030 <programlisting>
1031   type Foo a = a -> a -> Bool
1032  
1033   f :: Foo (forall b. b->b)
1034 </programlisting>
1035 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1036 <programlisting>
1037   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1038 </programlisting>
1039 </para></listitem>
1040
1041 <listitem><para>
1042 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1043 <programlisting>
1044   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1045   type Id x = x
1046   
1047   foo :: Generic Id []
1048 </programlisting>
1049 After expanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1050 <programlisting>
1051   foo :: forall x. x -> [x]
1052 </programlisting>
1053 </para></listitem>
1054
1055 </itemizedlist>
1056 </para>
1057
1058 <para>
1059 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1060 could be changed.)
1061 </para>
1062 <para>
1063 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1064 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1065 <itemizedlist>
1066 <listitem><para>
1067 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1068 </para></listitem>
1069 <listitem><para>
1070 Unboxed tuple on left of an arrow.
1071 </para></listitem>
1072 <listitem><para>
1073 Partially-applied type synonym.
1074 </para></listitem>
1075 </itemizedlist>
1076 So, for example,
1077 this will be rejected:
1078 <programlisting>
1079   type Pr = (# Int, Int #)
1080
1081   h :: Pr -> Int
1082   h x = ...
1083 </programlisting>
1084 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1085 </para>
1086 </sect3>
1087
1088
1089 <sect3 id="existential-quantification">
1090 <title>Existentially quantified data constructors
1091 </title>
1092
1093 <para>
1094 The idea of using existential quantification in data type declarations
1095 was suggested by Perry, and implemented in Hope+ (Nigel Perry, <emphasis>The Implementation
1096 of Practical Functional Programming Languages</emphasis>, PhD Thesis, University of
1097 London, 1991). It was later formalised by Laufer and Odersky
1098 (<emphasis>Polymorphic type inference and abstract data types</emphasis>,
1099 TOPLAS, 16(5), pp1411-1430, 1994).
1100 It's been in Lennart
1101 Augustsson's <command>hbc</command> Haskell compiler for several years, and
1102 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1103 </para>
1104
1105 <para>
1106
1107 <programlisting>
1108   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1109            | Nil
1110 </programlisting>
1111
1112 </para>
1113
1114 <para>
1115 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1116 </para>
1117
1118 <para>
1119
1120 <programlisting>
1121   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1122   Nil   :: Foo
1123 </programlisting>
1124
1125 </para>
1126
1127 <para>
1128 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1129 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1130 For example, the following expression is fine:
1131 </para>
1132
1133 <para>
1134
1135 <programlisting>
1136   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1137 </programlisting>
1138
1139 </para>
1140
1141 <para>
1142 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1143 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1144 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1145 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1146 </para>
1147
1148 <para>
1149 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1150 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1151 </para>
1152
1153 <para>
1154
1155 <programlisting>
1156   f (MkFoo val fn) = ???
1157 </programlisting>
1158
1159 </para>
1160
1161 <para>
1162 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1163 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1164 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1165 </para>
1166
1167 <para>
1168
1169 <programlisting>
1170   f :: Foo -> Bool
1171   f (MkFoo val fn) = fn val
1172 </programlisting>
1173
1174 </para>
1175
1176 <para>
1177 What this allows us to do is to package heterogenous values
1178 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1179 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1180 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1181 </para>
1182
1183 <sect4 id="existential">
1184 <title>Why existential?
1185 </title>
1186
1187 <para>
1188 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1189 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1190 </para>
1191
1192 <para>
1193
1194 <programlisting>
1195   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1196 </programlisting>
1197
1198 </para>
1199
1200 <para>
1201 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1202 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1203 adding a new existential quantification construct.
1204 </para>
1205
1206 </sect4>
1207
1208 <sect4>
1209 <title>Type classes</title>
1210
1211 <para>
1212 An easy extension (implemented in <command>hbc</command>) is to allow
1213 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1214 </para>
1215
1216 <para>
1217
1218 <programlisting>
1219 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1220          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1221 </programlisting>
1222
1223 </para>
1224
1225 <para>
1226 The two constructors have the types you'd expect:
1227 </para>
1228
1229 <para>
1230
1231 <programlisting>
1232 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1233 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1234 </programlisting>
1235
1236 </para>
1237
1238 <para>
1239 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1240 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1241 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1242 So this program is legal:
1243 </para>
1244
1245 <para>
1246
1247 <programlisting>
1248   f :: Baz -> String
1249   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1250                | otherwise = "No"
1251   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1252 </programlisting>
1253
1254 </para>
1255
1256 <para>
1257 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1258 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1259 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1260 extract it on pattern matching.
1261 </para>
1262
1263 <para>
1264 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1265 universal quantification earlier.
1266 </para>
1267
1268 </sect4>
1269
1270 <sect4>
1271 <title>Restrictions</title>
1272
1273 <para>
1274 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1275 constructors can be use.
1276 </para>
1277
1278 <para>
1279
1280 <itemizedlist>
1281 <listitem>
1282
1283 <para>
1284  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1285 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1286 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1287 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1288
1289
1290 <programlisting>
1291 f1 (MkFoo a f) = a
1292 </programlisting>
1293
1294
1295 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1296 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1297 ask what type <function>f1</function> has:
1298
1299
1300 <programlisting>
1301   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1302 </programlisting>
1303
1304
1305 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1306 this:
1307
1308
1309 <programlisting>
1310   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1311 </programlisting>
1312
1313
1314 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1315
1316
1317 <programlisting>
1318   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1319 </programlisting>
1320
1321
1322 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1323 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1324 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1325
1326
1327 </para>
1328 </listitem>
1329 <listitem>
1330
1331 <para>
1332 You can't pattern-match on an existentially quantified
1333 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1334 bindings. So this is illegal:
1335
1336
1337 <programlisting>
1338   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1339 </programlisting>
1340
1341 Instead, use a <literal>case</literal> expression:
1342
1343 <programlisting>
1344   f3 x = case x of Baz1 a b -> a==b
1345 </programlisting>
1346
1347 In general, you can only pattern-match
1348 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1349 in the patterns of a function definition.
1350
1351 The reason for this restriction is really an implementation one.
1352 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1353 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1354 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1355 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1356 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1357 annoying it is.
1358
1359 </para>
1360 </listitem>
1361 <listitem>
1362
1363 <para>
1364 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1365 declarations.  So this is illegal:
1366
1367
1368 <programlisting>
1369   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1370 </programlisting>
1371
1372
1373 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a
1374 pair of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type
1375 <literal>t</literal>.  That contradicts the idea that
1376 <literal>newtype</literal> should have no concrete representation.
1377 You can get just the same efficiency and effect by using
1378 <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If
1379 there is no overloading involved, then there is more of a case for
1380 allowing an existentially-quantified <literal>newtype</literal>,
1381 because the <literal>data</literal> version does carry an
1382 implementation cost, but single-field existentially quantified
1383 constructors aren't much use.  So the simple restriction (no
1384 existential stuff on <literal>newtype</literal>) stands, unless there
1385 are convincing reasons to change it.
1386
1387
1388 </para>
1389 </listitem>
1390 <listitem>
1391
1392 <para>
1393  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1394 data type with existentially quantified data constructors.
1395
1396 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1397
1398 <programlisting>
1399 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1400 </programlisting>
1401
1402 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1403 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1404
1405 <programlisting>
1406 instance Eq T where
1407   (MkT a) == (MkT b) = ???
1408 </programlisting>
1409
1410 But <varname>a</varname> and <varname>b</varname> have distinct types, and so can't be compared.
1411 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1412 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1413 declarations.  Define your own instances!
1414 </para>
1415 </listitem>
1416
1417 </itemizedlist>
1418
1419 </para>
1420
1421 </sect4>
1422 </sect3>
1423
1424 </sect2>
1425
1426
1427
1428 <sect2 id="multi-param-type-classes">
1429 <title>Class declarations</title>
1430
1431 <para>
1432 This section, and the next one, documents GHC's type-class extensions.
1433 There's lots of background in the paper <ulink
1434 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/Papers/type-class-design-space" >Type
1435 classes: exploring the design space</ulink > (Simon Peyton Jones, Mark
1436 Jones, Erik Meijer).
1437 </para>
1438 <para>
1439 All the extensions are enabled by the <option>-fglasgow-exts</option> flag.
1440 </para>
1441
1442 <sect3>
1443 <title>Multi-parameter type classes</title>
1444 <para>
1445 Multi-parameter type classes are permitted. For example:
1446
1447
1448 <programlisting>
1449   class Collection c a where
1450     union :: c a -> c a -> c a
1451     ...etc.
1452 </programlisting>
1453
1454 </para>
1455 </sect3>
1456
1457 <sect3>
1458 <title>The superclasses of a class declaration</title>
1459
1460 <para>
1461 There are no restrictions on the context in a class declaration
1462 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
1463 be acyclic.  So these class declarations are OK:
1464
1465
1466 <programlisting>
1467   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
1468     ...
1469
1470   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
1471     lift :: m a -> (t m) a
1472 </programlisting>
1473
1474
1475 </para>
1476 <para>
1477 As in Haskell 98, The class hierarchy must be acyclic.  However, the definition
1478 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
1479 this is OK:
1480
1481
1482 <programlisting>
1483   class C a where {
1484     op :: D b => a -> b -> b
1485   }
1486
1487   class C a => D a where { ... }
1488 </programlisting>
1489
1490
1491 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
1492 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
1493 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
1494 </para>
1495 </sect3>
1496
1497
1498
1499
1500 <sect3 id="class-method-types">
1501 <title>Class method types</title>
1502
1503 <para>
1504 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
1505 class type variable, thus:
1506 <programlisting>
1507   class Seq s a where
1508     fromList :: [a] -> s a
1509     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
1510 </programlisting>
1511 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
1512 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
1513 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
1514 GHC lifts this restriction.
1515 </para>
1516
1517
1518 </sect3>
1519
1520
1521 <sect3 id="functional-dependencies">
1522 <title>Functional dependencies
1523 </title>
1524
1525 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1526 in &ldquo;<ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/pubs/fundeps.html">Type Classes with Functional Dependencies</ulink>&rdquo;, Mark P. Jones, 
1527 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1528 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782,
1529 .
1530 </para>
1531 <para>
1532 Functional dependencies are introduced by a vertical bar in the syntax of a 
1533 class declaration;  e.g. 
1534 <programlisting>
1535   class (Monad m) => MonadState s m | m -> s where ...
1536
1537   class Foo a b c | a b -> c where ...
1538 </programlisting>
1539 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1540 </para>
1541 <para>
1542 In a class declaration, all of the class type variables must be reachable (in the sense 
1543 mentioned in <xref linkend="type-restrictions"/>)
1544 from the free variables of each method type.
1545 For example:
1546
1547 <programlisting>
1548   class Coll s a where
1549     empty  :: s
1550     insert :: s -> a -> s
1551 </programlisting>
1552
1553 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
1554 <literal>a</literal>.  Functional dependencies can make the type variable
1555 reachable:
1556 <programlisting>
1557   class Coll s a | s -> a where
1558     empty  :: s
1559     insert :: s -> a -> s
1560 </programlisting>
1561
1562 Alternatively <literal>Coll</literal> might be rewritten
1563
1564 <programlisting>
1565   class Coll s a where
1566     empty  :: s a
1567     insert :: s a -> a -> s a
1568 </programlisting>
1569
1570
1571 which makes the connection between the type of a collection of
1572 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
1573 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
1574 class like this:
1575
1576
1577 <programlisting>
1578   class CollE s where
1579     empty  :: s
1580
1581   class CollE s => Coll s a where
1582     insert :: s -> a -> s
1583 </programlisting>
1584 </para>
1585 </sect3>
1586
1587
1588
1589
1590
1591 </sect2>
1592
1593 <sect2 id="instance-decls">
1594 <title>Instance declarations</title>
1595
1596 <sect3 id="instance-heads">
1597 <title>Instance heads</title>
1598
1599 <para>
1600 The <emphasis>head</emphasis> of an instance declaration is the part to the
1601 right of the "<literal>=&gt;</literal>".  In Haskell 98 the head of an instance
1602 declaration
1603 must be of the form <literal>C (T a1 ... an)</literal>, where
1604 <literal>C</literal> is the class, <literal>T</literal> is a type constructor,
1605 and the <literal>a1 ... an</literal> are distinct type variables.
1606 </para>
1607 <para>
1608 The <option>-fglasgow-exts</option> flag lifts this restriction and allows the
1609 instance head to be of form <literal>C t1 ... tn</literal> where <literal>t1
1610 ... tn</literal> are arbitrary types (provided, of course, everything is
1611 well-kinded).  In particular, types <literal>ti</literal> can be type variables
1612 or structured types, and can contain repeated occurrences of a single type
1613 variable.
1614 Examples:
1615 <programlisting>
1616   instance Eq (T a a) where ...
1617         -- Repeated type variable
1618
1619   instance Eq (S [a]) where ...
1620         -- Structured type
1621
1622   instance C Int [a] where ...
1623         -- Multiple parameters
1624 </programlisting>
1625 </para>
1626 </sect3>
1627
1628 <sect3 id="instance-overlap">
1629 <title>Overlapping instances</title>
1630 <para>
1631 In general, <emphasis>GHC requires that that it be unambiguous which instance
1632 declaration
1633 should be used to resolve a type-class constraint</emphasis>. This behaviour
1634 can be modified by two flags: <option>-fallow-overlapping-instances</option>
1635 <indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
1636 </primary></indexterm> 
1637 and <option>-fallow-incoherent-instances</option>
1638 <indexterm><primary>-fallow-incoherent-instances
1639 </primary></indexterm>, as this section discusses.</para>
1640 <para>
1641 When GHC tries to resolve, say, the constraint <literal>C Int Bool</literal>,
1642 it tries to match every instance declaration against the
1643 constraint,
1644 by instantiating the head of the instance declaration.  For example, consider
1645 these declarations:
1646 <programlisting>
1647   instance context1 => C Int a     where ...  -- (A)
1648   instance context2 => C a   Bool  where ...  -- (B)
1649   instance context3 => C Int [a]   where ...  -- (C)
1650   instance context4 => C Int [Int] where ...  -- (D)
1651 </programlisting>
1652 The instances (A) and (B) match the constraint <literal>C Int Bool</literal>, 
1653 but (C) and (D) do not.  When matching, GHC takes
1654 no account of the context of the instance declaration
1655 (<literal>context1</literal> etc).
1656 GHC's default behaviour is that <emphasis>exactly one instance must match the
1657 constraint it is trying to resolve</emphasis>.  
1658 It is fine for there to be a <emphasis>potential</emphasis> of overlap (by
1659 including both declarations (A) and (B), say); an error is only reported if a 
1660 particular constraint matches more than one.
1661 </para>
1662
1663 <para>
1664 The <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag instructs GHC to allow
1665 more than one instance to match, provided there is a most specific one.  For
1666 example, the constraint <literal>C Int [Int]</literal> matches instances (A),
1667 (C) and (D), but the last is more specific, and hence is chosen.  If there is no
1668 most-specific match, the program is rejected.
1669 </para>
1670 <para>
1671 However, GHC is conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
1672 <programlisting>
1673   f :: [b] -> [b]
1674   f x = ...
1675 </programlisting>
1676 Suppose that from the RHS of <literal>f</literal> we get the constraint
1677 <literal>C Int [b]</literal>.  But
1678 GHC does not commit to instance (C), because in a particular
1679 call of <literal>f</literal>, <literal>b</literal> might be instantiate 
1680 to <literal>Int</literal>, in which case instance (D) would be more specific still.
1681 So GHC rejects the program.  If you add the flag <option>-fallow-incoherent-instances</option>,
1682 GHC will instead pick (C), without complaining about 
1683 the problem of subsequent instantiations.
1684 </para>
1685 <para>
1686 The willingness to be overlapped or incoherent is a property of 
1687 the <emphasis>instance declaration</emphasis> itself, controlled by the
1688 presence or otherwise of the <option>-fallow-overlapping-instances</option> 
1689 and <option>-fallow-incoherent-instances</option> flags when that mdodule is
1690 being defined.  Neither flag is required in a module that imports and uses the
1691 instance declaration.  Specifically, during the lookup process:
1692 <itemizedlist>
1693 <listitem><para>
1694 An instance declaration is ignored during the lookup process if (a) a more specific
1695 match is found, and (b) the instance declaration was compiled with 
1696 <option>-fallow-overlapping-instances</option>.  The flag setting for the
1697 more-specific instance does not matter.
1698 </para></listitem>
1699 <listitem><para>
1700 Suppose an instance declaration does not matche the constraint being looked up, but
1701 does unify with it, so that it might match when the constraint is further 
1702 instantiated.  Usually GHC will regard this as a reason for not committing to
1703 some other constraint.  But if the instance declaration was compiled with
1704 <option>-fallow-incoherent-instances</option>, GHC will skip the "does-it-unify?" 
1705 check for that declaration.
1706 </para></listitem>
1707 </itemizedlist>
1708 All this makes it possible for a library author to design a library that relies on 
1709 overlapping instances without the library client having to know.
1710 </para>
1711 <para>The <option>-fallow-incoherent-instances</option> flag implies the
1712 <option>-fallow-overlapping-instances</option> flag, but not vice versa.
1713 </para>
1714 </sect3>
1715
1716 <sect3>
1717 <title>Type synonyms in the instance head</title>
1718
1719 <para>
1720 <emphasis>Unlike Haskell 98, instance heads may use type
1721 synonyms</emphasis>.  (The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl.)
1722 As always, using a type synonym is just shorthand for
1723 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
1724
1725
1726 <programlisting>
1727   type Point = (Int,Int)
1728   instance C Point   where ...
1729   instance C [Point] where ...
1730 </programlisting>
1731
1732
1733 is legal.  However, if you added
1734
1735
1736 <programlisting>
1737   instance C (Int,Int) where ...
1738 </programlisting>
1739
1740
1741 as well, then the compiler will complain about the overlapping
1742 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
1743 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
1744
1745
1746 <programlisting>
1747   type P a = [[a]]
1748   instance Monad P where ...
1749 </programlisting>
1750
1751
1752 This design decision is independent of all the others, and easily
1753 reversed, but it makes sense to me.
1754
1755 </para>
1756 </sect3>
1757
1758 <sect3 id="undecidable-instances">
1759 <title>Undecidable instances</title>
1760
1761 <para>An instance declaration must normally obey the following rules:
1762 <orderedlist>
1763 <listitem><para>At least one of the types in the <emphasis>head</emphasis> of
1764 an instance declaration <emphasis>must not</emphasis> be a type variable.
1765 For example, these are OK:
1766
1767 <programlisting>
1768   instance C Int a where ...
1769
1770   instance D (Int, Int) where ...
1771
1772   instance E [[a]] where ...
1773 </programlisting>
1774 but this is not:
1775 <programlisting>
1776   instance F a where ...
1777 </programlisting>
1778 Note that instance heads may contain repeated type variables (<xref linkend="instance-heads"/>).
1779 For example, this is OK:
1780 <programlisting>
1781   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
1782 </programlisting>
1783 </para>
1784 </listitem>
1785
1786
1787 <listitem>
1788 <para>All of the types in the <emphasis>context</emphasis> of
1789 an instance declaration <emphasis>must</emphasis> be type variables.
1790 Thus
1791 <programlisting>
1792 instance C a b => Eq (a,b) where ...
1793 </programlisting>
1794 is OK, but
1795 <programlisting>
1796 instance C Int b => Foo b where ...
1797 </programlisting>
1798 is not OK.
1799 </para>
1800 </listitem>
1801 </orderedlist>
1802 These restrictions ensure that 
1803 context reduction terminates: each reduction step removes one type
1804 constructor.  For example, the following would make the type checker
1805 loop if it wasn't excluded:
1806 <programlisting>
1807   instance C a => C a where ...
1808 </programlisting>
1809 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
1810 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
1811 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
1812 something more specific does not:
1813
1814
1815 <programlisting>
1816   instance C a where
1817     op = ... -- Default
1818 </programlisting>
1819
1820
1821 Second, sometimes you might want to use the following to get the
1822 effect of a "class synonym":
1823
1824
1825 <programlisting>
1826   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1827
1828   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
1829 </programlisting>
1830
1831
1832 This allows you to write shorter signatures:
1833
1834
1835 <programlisting>
1836   f :: C a => ...
1837 </programlisting>
1838
1839
1840 instead of
1841
1842
1843 <programlisting>
1844   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
1845 </programlisting>
1846
1847
1848 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
1849 that it's worth experimenting with more liberal rules.  If you use
1850 the experimental flag <option>-fallow-undecidable-instances</option>
1851 <indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
1852 option</primary></indexterm>, you can use arbitrary
1853 types in both an instance context and instance head.  Termination is ensured by having a
1854 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
1855 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
1856 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
1857 </para>
1858 <para>
1859 I'm on the lookout for a less brutal solution: a simple rule that preserves decidability while
1860 allowing these idioms interesting idioms.  
1861 </para>
1862 </sect3>
1863
1864
1865 </sect2>
1866
1867 <sect2 id="type-restrictions">
1868 <title>Type signatures</title>
1869
1870 <sect3><title>The context of a type signature</title>
1871 <para>
1872 Unlike Haskell 98, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
1873 the form <emphasis>(class type-variable)</emphasis> or
1874 <emphasis>(class (type-variable type-variable ...))</emphasis>.  Thus,
1875 these type signatures are perfectly OK
1876 <programlisting>
1877   g :: Eq [a] => ...
1878   g :: Ord (T a ()) => ...
1879 </programlisting>
1880 </para>
1881 <para>
1882 GHC imposes the following restrictions on the constraints in a type signature.
1883 Consider the type:
1884
1885 <programlisting>
1886   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
1887 </programlisting>
1888
1889 (Here, we write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
1890 language omits them; in Haskell 98, all the free type variables of an
1891 explicit source-language type signature are universally quantified,
1892 except for the class type variables in a class declaration.  However,
1893 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref linkend="universal-quantification"/>).
1894 </para>
1895
1896 <para>
1897
1898 <orderedlist>
1899 <listitem>
1900
1901 <para>
1902  <emphasis>Each universally quantified type variable
1903 <literal>tvi</literal> must be reachable from <literal>type</literal></emphasis>.
1904
1905 A type variable <literal>a</literal> is "reachable" if it it appears
1906 in the same constraint as either a type variable free in in
1907 <literal>type</literal>, or another reachable type variable.  
1908 A value with a type that does not obey 
1909 this reachability restriction cannot be used without introducing
1910 ambiguity; that is why the type is rejected.
1911 Here, for example, is an illegal type:
1912
1913
1914 <programlisting>
1915   forall a. Eq a => Int
1916 </programlisting>
1917
1918
1919 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
1920 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
1921 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
1922 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
1923 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
1924 get any more information about <literal>tv</literal>.
1925 </para>
1926 <para>
1927 Note
1928 that the reachability condition is weaker than saying that <literal>a</literal> is
1929 functionally dependent on a type variable free in
1930 <literal>type</literal> (see <xref
1931 linkend="functional-dependencies"/>).  The reason for this is there
1932 might be a "hidden" dependency, in a superclass perhaps.  So
1933 "reachable" is a conservative approximation to "functionally dependent".
1934 For example, consider:
1935 <programlisting>
1936   class C a b | a -> b where ...
1937   class C a b => D a b where ...
1938   f :: forall a b. D a b => a -> a
1939 </programlisting>
1940 This is fine, because in fact <literal>a</literal> does functionally determine <literal>b</literal>
1941 but that is not immediately apparent from <literal>f</literal>'s type.
1942 </para>
1943 </listitem>
1944 <listitem>
1945
1946 <para>
1947  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
1948 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
1949
1950 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
1951 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
1952
1953
1954 <programlisting>
1955   forall a. C a b => burble
1956 </programlisting>
1957
1958
1959 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
1960 mention <literal>a</literal>:
1961
1962
1963 <programlisting>
1964   forall a. Eq b => burble
1965 </programlisting>
1966
1967
1968 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
1969 excluded types are never useful or necessary (because the offending
1970 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
1971 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
1972 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
1973 territory free in case we need it later.
1974
1975 </para>
1976 </listitem>
1977
1978 </orderedlist>
1979
1980 </para>
1981 </sect3>
1982
1983 <sect3 id="hoist">
1984 <title>For-all hoisting</title>
1985 <para>
1986 It is often convenient to use generalised type synonyms (see <xref linkend="type-synonyms"/>) at the right hand
1987 end of an arrow, thus:
1988 <programlisting>
1989   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1990
1991   g :: Int -> Discard Int
1992   g x y z = x+y
1993 </programlisting>
1994 Simply expanding the type synonym would give
1995 <programlisting>
1996   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1997 </programlisting>
1998 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1999 <programlisting>
2000   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
2001 </programlisting>
2002 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
2003 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
2004 performs the transformation:</emphasis>
2005 <programlisting>
2006   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
2007 ==>
2008   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
2009 </programlisting>
2010 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
2011 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
2012 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
2013 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
2014 <programlisting>
2015   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
2016 </programlisting>
2017 </para>
2018 <para>
2019 When doing this hoisting operation, GHC eliminates duplicate constraints.  For
2020 example:
2021 <programlisting>
2022   type Foo a = (?x::Int) => Bool -> a
2023   g :: Foo (Foo Int)
2024 </programlisting>
2025 means
2026 <programlisting>
2027   g :: (?x::Int) => Bool -> Bool -> Int
2028 </programlisting>
2029 </para>
2030 </sect3>
2031
2032
2033 </sect2>
2034
2035 <sect2 id="implicit-parameters">
2036 <title>Implicit parameters</title>
2037
2038 <para> Implicit parameters are implemented as described in 
2039 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
2040 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
2041 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
2042 Boston, Jan 2000.
2043 </para>
2044
2045 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is
2046 due to Jeff Lewis.)</para>
2047
2048 <para>Implicit parameter support is enabled with the option
2049 <option>-fimplicit-params</option>.</para>
2050
2051 <para>
2052 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
2053 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
2054 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
2055 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
2056 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
2057 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
2058 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
2059 only support static scoping of variables.
2060 </para>
2061 <para>
2062 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
2063 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
2064 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
2065 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
2066 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
2067 of type <literal>t'</literal>". For
2068 example, the following expresses the type of a sort function,
2069 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
2070 <programlisting>
2071   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2072 </programlisting>
2073 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
2074 </para>
2075 <para>
2076 An implicit parameter occurs in an expression using the special form <literal>?x</literal>, 
2077 where <literal>x</literal> is
2078 any valid identifier (e.g. <literal>ord ?x</literal> is a valid expression). 
2079 Use of this construct also introduces a new
2080 dynamic-binding constraint in the type of the expression. 
2081 For example, the following definition
2082 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
2083 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
2084 <programlisting>
2085   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
2086
2087   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
2088   sort    = sortBy ?cmp
2089 </programlisting>
2090 </para>
2091
2092 <sect3>
2093 <title>Implicit-parameter type constraints</title>
2094 <para>
2095 Dynamic binding constraints behave just like other type class
2096 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
2097 function is used, its implicit parameters are inherited by the
2098 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
2099 to pick out the least value in a list:
2100 <programlisting>
2101   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
2102   least xs = fst (sort xs)
2103 </programlisting>
2104 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
2105 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
2106 parameters, the default is that parameters must always be explicit
2107 propagated. With implicit parameters, the default is to always
2108 propagate them.
2109 </para>
2110 <para>
2111 An implicit-parameter type constraint differs from other type class constraints in the
2112 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
2113 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
2114 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
2115 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
2116 class constraints.
2117 </para>
2118
2119 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
2120 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
2121 <programlisting>
2122   class (?x::Int) => C a where ...
2123   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
2124 </programlisting>
2125 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
2126 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
2127 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
2128 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
2129 <para>
2130 Implicit-parameter constraints do not cause ambiguity.  For example, consider:
2131 <programlisting>
2132    f :: (?x :: [a]) => Int -> Int
2133    f n = n + length ?x
2134
2135    g :: (Read a, Show a) => String -> String
2136    g s = show (read s)
2137 </programlisting>
2138 Here, <literal>g</literal> has an ambiguous type, and is rejected, but <literal>f</literal>
2139 is fine.  The binding for <literal>?x</literal> at <literal>f</literal>'s call site is 
2140 quite unambiguous, and fixes the type <literal>a</literal>.
2141 </para>
2142 </sect3>
2143
2144 <sect3>
2145 <title>Implicit-parameter bindings</title>
2146
2147 <para>
2148 An implicit parameter is <emphasis>bound</emphasis> using the standard
2149 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> binding forms.
2150 For example, we define the <literal>min</literal> function by binding
2151 <literal>cmp</literal>.
2152 <programlisting>
2153   min :: [a] -> a
2154   min  = let ?cmp = (&lt;=) in least
2155 </programlisting>
2156 </para>
2157 <para>
2158 A group of implicit-parameter bindings may occur anywhere a normal group of Haskell
2159 bindings can occur, except at top level.  That is, they can occur in a <literal>let</literal> 
2160 (including in a list comprehension, or do-notation, or pattern guards), 
2161 or a <literal>where</literal> clause.
2162 Note the following points:
2163 <itemizedlist>
2164 <listitem><para>
2165 An implicit-parameter binding group must be a
2166 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
2167 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
2168 neither polymorphic or recursive.  
2169 </para></listitem>
2170 <listitem><para>
2171 You may not mix implicit-parameter bindings with ordinary bindings in a 
2172 single <literal>let</literal>
2173 expression; use two nested <literal>let</literal>s instead.
2174 (In the case of <literal>where</literal> you are stuck, since you can't nest <literal>where</literal> clauses.)
2175 </para></listitem>
2176
2177 <listitem><para>
2178 You may put multiple implicit-parameter bindings in a
2179 single binding group; but they are <emphasis>not</emphasis> treated
2180 as a mutually recursive group (as ordinary <literal>let</literal> bindings are).
2181 Instead they are treated as a non-recursive group, simultaneously binding all the implicit
2182 parameter.  The bindings are not nested, and may be re-ordered without changing
2183 the meaning of the program.
2184 For example, consider:
2185 <programlisting>
2186   f t = let { ?x = t; ?y = ?x+(1::Int) } in ?x + ?y
2187 </programlisting>
2188 The use of <literal>?x</literal> in the binding for <literal>?y</literal> does not "see"
2189 the binding for <literal>?x</literal>, so the type of <literal>f</literal> is
2190 <programlisting>
2191   f :: (?x::Int) => Int -> Int
2192 </programlisting>
2193 </para></listitem>
2194 </itemizedlist>
2195 </para>
2196
2197 </sect3>
2198
2199 <sect3><title>Implicit parameters and polymorphic recursion</title>
2200
2201 <para>
2202 Consider these two definitions:
2203 <programlisting>
2204   len1 :: [a] -> Int
2205   len1 xs = let ?acc = 0 in len_acc1 xs
2206
2207   len_acc1 [] = ?acc
2208   len_acc1 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc1 xs
2209
2210   ------------
2211
2212   len2 :: [a] -> Int
2213   len2 xs = let ?acc = 0 in len_acc2 xs
2214
2215   len_acc2 :: (?acc :: Int) => [a] -> Int
2216   len_acc2 [] = ?acc
2217   len_acc2 (x:xs) = let ?acc = ?acc + (1::Int) in len_acc2 xs
2218 </programlisting>
2219 The only difference between the two groups is that in the second group
2220 <literal>len_acc</literal> is given a type signature.
2221 In the former case, <literal>len_acc1</literal> is monomorphic in its own
2222 right-hand side, so the implicit parameter <literal>?acc</literal> is not
2223 passed to the recursive call.  In the latter case, because <literal>len_acc2</literal>
2224 has a type signature, the recursive call is made to the
2225 <emphasis>polymoprhic</emphasis> version, which takes <literal>?acc</literal>
2226 as an implicit parameter.  So we get the following results in GHCi:
2227 <programlisting>
2228   Prog> len1 "hello"
2229   0
2230   Prog> len2 "hello"
2231   5
2232 </programlisting>
2233 Adding a type signature dramatically changes the result!  This is a rather
2234 counter-intuitive phenomenon, worth watching out for.
2235 </para>
2236 </sect3>
2237
2238 <sect3><title>Implicit parameters and monomorphism</title>
2239
2240 <para>GHC applies the dreaded Monomorphism Restriction (section 4.5.5 of the
2241 Haskell Report) to implicit parameters.  For example, consider:
2242 <programlisting>
2243  f :: Int -> Int
2244   f v = let ?x = 0     in
2245         let y = ?x + v in
2246         let ?x = 5     in
2247         y
2248 </programlisting>
2249 Since the binding for <literal>y</literal> falls under the Monomorphism
2250 Restriction it is not generalised, so the type of <literal>y</literal> is
2251 simply <literal>Int</literal>, not <literal>(?x::Int) => Int</literal>.
2252 Hence, <literal>(f 9)</literal> returns result <literal>9</literal>.
2253 If you add a type signature for <literal>y</literal>, then <literal>y</literal>
2254 will get type <literal>(?x::Int) => Int</literal>, so the occurrence of
2255 <literal>y</literal> in the body of the <literal>let</literal> will see the
2256 inner binding of <literal>?x</literal>, so <literal>(f 9)</literal> will return
2257 <literal>14</literal>.
2258 </para>
2259 </sect3>
2260 </sect2>
2261
2262 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
2263 <title>Linear implicit parameters</title>
2264 <para>
2265 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
2266 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
2267 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
2268 </para>
2269 <itemizedlist>
2270 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
2271 <listitem> <para> distributing a supply of random numbers </para> </listitem>
2272 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
2273 </itemizedlist>
2274
2275 <para>
2276 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
2277 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
2278 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
2279 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
2280 (The '/' in the '%' suggests the split!)
2281 </para>
2282 <para>
2283 For example:
2284 <programlisting>
2285     import GHC.Exts( Splittable )
2286
2287     data NameSupply = ...
2288     
2289     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
2290     newName :: NameSupply -> Name
2291
2292     instance Splittable NameSupply where
2293         split = splitNS
2294
2295
2296     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2297     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2298                     where
2299                       x'   = newName %ns
2300                       env' = extend env x x'
2301     ...more equations for f...
2302 </programlisting>
2303 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
2304 <itemizedlist>
2305 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
2306 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
2307 </itemizedlist>
2308 </para>
2309 <para>
2310 So the translation done by the type checker makes
2311 the parameter explicit:
2312 <programlisting>
2313     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
2314     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
2315                        where
2316                          (ns1,ns2) = splitNS ns
2317                          x' = newName ns2
2318                          env = extend env x x'
2319 </programlisting>
2320 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
2321 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
2322 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
2323 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
2324 <programlisting>
2325         class Splittable a where
2326           split :: a -> (a,a)
2327 </programlisting>
2328 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
2329 split for name supplies.  But we can simply write
2330 <programlisting>
2331         g x = (x, %ns, %ns)
2332 </programlisting>
2333 and GHC will infer
2334 <programlisting>
2335         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
2336 </programlisting>
2337 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
2338 <literal>GHC.Exts</literal>.
2339 </para>
2340 <para>
2341 Other points:
2342 <itemizedlist>
2343 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
2344 are entirely distinct implicit parameters: you 
2345   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
2346 </listitem>
2347
2348 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
2349
2350 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
2351   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
2352 </itemizedlist>
2353 </para>
2354
2355 <sect3><title>Warnings</title>
2356
2357 <para>
2358 The monomorphism restriction is even more important than usual.
2359 Consider the example above:
2360 <programlisting>
2361     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2362     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
2363                     where
2364                       x'   = newName %ns
2365                       env' = extend env x x'
2366 </programlisting>
2367 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
2368 usually a harmless thing to do, we get:
2369 <programlisting>
2370     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
2371     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
2372                     where
2373                       env' = extend env x (newName %ns)
2374 </programlisting>
2375 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
2376 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
2377 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
2378 the beta rule.
2379 </para>
2380 <para>
2381 Well, this is an experimental change.  With implicit
2382 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
2383 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
2384 Haskell programs without knowing their typing.
2385 </para>
2386
2387 </sect3>
2388
2389 <sect3><title>Recursive functions</title>
2390 <para>Linear implicit parameters can be particularly tricky when you have a recursive function
2391 Consider
2392 <programlisting>
2393         foo :: %x::T => Int -> [Int]
2394         foo 0 = []
2395         foo n = %x : foo (n-1)
2396 </programlisting>
2397 where T is some type in class Splittable.</para>
2398 <para>
2399 Do you get a list of all the same T's or all different T's
2400 (assuming that split gives two distinct T's back)?
2401 </para><para>
2402 If you supply the type signature, taking advantage of polymorphic
2403 recursion, you get what you'd probably expect.  Here's the
2404 translated term, where the implicit param is made explicit:
2405 <programlisting>
2406         foo x 0 = []
2407         foo x n = let (x1,x2) = split x
2408                   in x1 : foo x2 (n-1)
2409 </programlisting>
2410 But if you don't supply a type signature, GHC uses the Hindley
2411 Milner trick of using a single monomorphic instance of the function
2412 for the recursive calls. That is what makes Hindley Milner type inference
2413 work.  So the translation becomes
2414 <programlisting>
2415         foo x = let
2416                   foom 0 = []
2417                   foom n = x : foom (n-1)
2418                 in
2419                 foom
2420 </programlisting>
2421 Result: 'x' is not split, and you get a list of identical T's.  So the
2422 semantics of the program depends on whether or not foo has a type signature.
2423 Yikes!
2424 </para><para>
2425 You may say that this is a good reason to dislike linear implicit parameters
2426 and you'd be right.  That is why they are an experimental feature. 
2427 </para>
2428 </sect3>
2429
2430 </sect2>
2431
2432 <sect2 id="sec-kinding">
2433 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2434
2435 <para>
2436 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2437 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2438 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2439 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2440 John Hughes had to define the data type:
2441 <screen>
2442      data Set cxt a = Set [a]
2443                     | Unused (cxt a -> ())
2444 </screen>
2445 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2446 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2447 </para>
2448 <para>
2449 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2450 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2451 <itemizedlist>
2452 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2453 <screen>
2454   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2455 </screen></para></listitem>
2456 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2457 <screen>
2458   type T (f :: * -> *) = f Int
2459 </screen></para></listitem>
2460 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2461 <screen>
2462   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2463 </screen></para></listitem>
2464 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2465 <screen>
2466   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2467 </screen></para></listitem>
2468 </itemizedlist>
2469 </para>
2470
2471 <para>
2472 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2473 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2474 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2475 single lexeme in Haskell.
2476 </para>
2477
2478 <para>
2479 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2480 as well.  Thus:
2481 <screen>
2482    f :: (Int :: *) -> Int
2483    g :: forall a. a -> (a :: *)
2484 </screen>
2485 The syntax is
2486 <screen>
2487    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2488 </screen>
2489 The parentheses are required.
2490 </para>
2491 </sect2>
2492
2493
2494 <sect2 id="universal-quantification">
2495 <title>Arbitrary-rank polymorphism
2496 </title>
2497
2498 <para>
2499 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
2500 allows us to say exactly what this means.  For example:
2501 </para>
2502 <para>
2503 <programlisting>
2504         g :: b -> b
2505 </programlisting>
2506 means this:
2507 <programlisting>
2508         g :: forall b. (b -> b)
2509 </programlisting>
2510 The two are treated identically.
2511 </para>
2512
2513 <para>
2514 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
2515 explicit universal quantification in
2516 types. 
2517 For example, all the following types are legal:
2518 <programlisting>
2519     f1 :: forall a b. a -> b -> a
2520     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
2521
2522     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
2523     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
2524
2525     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
2526 </programlisting>
2527 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
2528 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
2529 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
2530 is implicitly added by Haskell.
2531 </para>
2532 <para>
2533 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
2534 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrow.  As <literal>g2</literal>
2535 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
2536 </para>
2537 <para>
2538 The function <literal>f3</literal> has a rank-3 type;
2539 it has rank-2 types on the left of a function arrow.
2540 </para>
2541 <para>
2542 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
2543 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
2544 that restriction has now been lifted.)
2545 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
2546 including an operational type class context, is legal:
2547 <itemizedlist>
2548 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
2549 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist"/>) </para> </listitem>
2550 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
2551 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2</literal> above would be valid
2552 field type signatures.</para> </listitem>
2553 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
2554 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables"/>) </para> </listitem>
2555 </itemizedlist>
2556 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
2557 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
2558 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
2559 <programlisting>
2560     x1 :: [forall a. a->a]
2561     x2 :: (forall a. a->a, Int)
2562     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
2563 </programlisting>
2564 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
2565 a type variable any more!
2566 </para>
2567
2568
2569 <sect3 id="univ">
2570 <title>Examples
2571 </title>
2572
2573 <para>
2574 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
2575 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
2576 </para>
2577
2578 <para>
2579
2580 <programlisting>
2581 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
2582
2583 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
2584                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
2585                         }
2586
2587 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
2588 </programlisting>
2589
2590 </para>
2591
2592 <para>
2593 The constructors have rank-2 types:
2594 </para>
2595
2596 <para>
2597
2598 <programlisting>
2599 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
2600 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
2601                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
2602                   -> MonadT m
2603 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
2604 </programlisting>
2605
2606 </para>
2607
2608 <para>
2609 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
2610 explicit context.  For example in the first argument of the
2611 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
2612 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
2613 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
2614 mentioned in the type quantified over.
2615 </para>
2616
2617 <para>
2618 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
2619 types too.  So if you write this:
2620
2621 <programlisting>
2622   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
2623 </programlisting>
2624
2625 it's just as if you had written this:
2626
2627 <programlisting>
2628   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
2629 </programlisting>
2630
2631 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
2632 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
2633 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
2634 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
2635 </para>
2636
2637 <para>
2638 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
2639 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
2640 </para>
2641
2642 <para>
2643
2644 <programlisting>
2645     a1 :: T Int
2646     a1 = T1 (\xy->x) 3
2647     
2648     a2, a3 :: Swizzle
2649     a2 = MkSwizzle sort
2650     a3 = MkSwizzle reverse
2651     
2652     a4 :: MonadT Maybe
2653     a4 = let r x = Just x
2654              b m k = case m of
2655                        Just y -> k y
2656                        Nothing -> Nothing
2657          in
2658          MkMonad r b
2659
2660     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
2661     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
2662 </programlisting>
2663
2664 </para>
2665
2666 <para>
2667 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
2668 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
2669 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
2670 </para>
2671
2672 <para>
2673 When you use pattern matching, the bound variables may now have
2674 polymorphic types.  For example:
2675 </para>
2676
2677 <para>
2678
2679 <programlisting>
2680     f :: T a -> a -> (a, Char)
2681     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2682
2683     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
2684     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
2685
2686     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
2687     h m [] = return m []
2688     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
2689                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
2690                  return m (y:ys)
2691 </programlisting>
2692
2693 </para>
2694
2695 <para>
2696 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
2697 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
2698 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
2699 matching.
2700 </para>
2701 </sect3>
2702
2703 <sect3>
2704 <title>Type inference</title>
2705
2706 <para>
2707 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecidable.
2708 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
2709 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
2710 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
2711 </para>
2712 <para>
2713 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
2714 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
2715 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
2716 </para>
2717 <para>
2718 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
2719 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
2720 (<xref linkend="scoped-type-variables"/>), thus:
2721 <programlisting>
2722      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
2723 </programlisting>
2724 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
2725 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
2726 <programlisting>
2727      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2728 </programlisting>
2729 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
2730 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
2731 one can give a type signature for the function itself:
2732 <programlisting>
2733      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
2734      h f = (f True, f 'c')
2735 </programlisting>
2736 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
2737 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
2738 <programlisting>
2739     f :: T a -> a -> (a, Char)
2740     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
2741 </programlisting>
2742 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
2743 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
2744 it needs to know.
2745 </para>
2746
2747 </sect3>
2748
2749
2750 <sect3 id="implicit-quant">
2751 <title>Implicit quantification</title>
2752
2753 <para>
2754 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
2755 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
2756 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
2757 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
2758 equivalent:
2759 <programlisting>
2760   f :: a -> a
2761   f :: forall a. a -> a
2762
2763   g (x::a) = let
2764                 h :: a -> b -> b
2765                 h x y = y
2766              in ...
2767   g (x::a) = let
2768                 h :: forall b. a -> b -> b
2769                 h x y = y
2770              in ...
2771 </programlisting>
2772 </para>
2773 <para>
2774 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
2775 point.  For example:
2776 <programlisting>
2777   f :: (a -> a) -> Int
2778            -- MEANS
2779   f :: forall a. (a -> a) -> Int
2780            -- NOT
2781   f :: (forall a. a -> a) -> Int
2782
2783
2784   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
2785            -- MEANS the illegal type
2786   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
2787            -- NOT
2788   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
2789 </programlisting>
2790 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
2791 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
2792 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
2793 for rank-2 types.
2794 </para>
2795 </sect3>
2796 </sect2>
2797
2798
2799
2800
2801 <sect2 id="scoped-type-variables">
2802 <title>Scoped type variables
2803 </title>
2804
2805 <para>
2806 A <emphasis>lexically scoped type variable</emphasis> can be bound by:
2807 <itemizedlist>
2808 <listitem><para>A declaration type signature (<xref linkend="decl-type-sigs"/>)</para></listitem>
2809 <listitem><para>A pattern type signature (<xref linkend="pattern-type-sigs"/>)</para></listitem>
2810 <listitem><para>A result type signature (<xref linkend="result-type-sigs"/>)</para></listitem>
2811 </itemizedlist>
2812 For example:
2813 <programlisting>
2814 f (xs::[a]) = ys ++ ys
2815            where
2816               ys :: [a]
2817               ys = reverse xs
2818 </programlisting>
2819 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <varname>xs</varname>.
2820 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
2821 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
2822 In particular, it is in scope at the type signature for <varname>y</varname>.
2823 </para>
2824
2825 <para>
2826 At ordinary type signatures, such as that for <varname>ys</varname>, any type variables
2827 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
2828 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
2829 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
2830 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <varname>a</varname>
2831 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <varname>ys</varname> is
2832 the same as that of <varname>xs</varname>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
2833 a type for <varname>ys</varname>; a major benefit of scoped type variables is that
2834 it becomes possible to do so.
2835 </para>
2836
2837 <para>
2838 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
2839 implementations differ from the specification below, those differences
2840 are noted.
2841 </para>
2842
2843 <para>
2844 So much for the basic idea.  Here are the details.
2845 </para>
2846
2847 <sect3>
2848 <title>What a scoped type variable means</title>
2849 <para>
2850 A lexically-scoped type variable is simply
2851 the name for a type.   The restriction it expresses is that all occurrences
2852 of the same name mean the same type.  For example:
2853 <programlisting>
2854   f :: [Int] -> Int -> Int
2855   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
2856 </programlisting>
2857 The pattern type signatures on the left hand side of
2858 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
2859 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
2860 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
2861 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
2862 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
2863 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
2864 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
2865 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
2866 For example, all of these are legal:</para>
2867
2868 <programlisting>
2869   t (x::a) (y::a) = x+y*2
2870
2871   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
2872
2873   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
2874
2875   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
2876         in k x                  -- environment
2877
2878   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
2879   k (x::Int) False = ...
2880
2881   w :: [b] -> [b]
2882   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
2883 </programlisting>
2884
2885 </sect3>
2886
2887 <sect3>
2888 <title>Scope and implicit quantification</title>
2889
2890 <para>
2891
2892 <itemizedlist>
2893 <listitem>
2894
2895 <para>
2896 All the type variables mentioned in a pattern,
2897 that are not already in scope,
2898 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
2899 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
2900 For example:
2901 <programlisting>
2902   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
2903              in
2904              g (x,True)
2905 </programlisting>
2906 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
2907 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
2908 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
2909 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
2910 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
2911 </para>
2912 </listitem>
2913
2914 <listitem>
2915 <para>
2916 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
2917 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
2918 <programlisting>
2919   let
2920     f (x::a) = &lt;...rhs of f...>
2921     (p::b, q::b) = (1,2)
2922   in &lt;...body of let...>
2923 </programlisting>
2924 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
2925 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
2926 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
2927 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
2928 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
2929 type signatures in the <literal>let</literal> group.
2930 </para>
2931 </listitem>
2932
2933
2934 <listitem>
2935 <para>
2936 The type variables bound by the pattern may be 
2937 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
2938 type signatures anywhere within their scope.
2939
2940 </para>
2941 </listitem>
2942
2943 <listitem>
2944 <para>
2945  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
2946 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
2947
2948 </para>
2949 </listitem>
2950
2951 <listitem>
2952
2953 <para>
2954  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
2955 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
2956
2957 <programlisting>
2958   f :: a -> a
2959   f x = x::a
2960 </programlisting>
2961
2962 It's illegal because <varname>a</varname> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2963 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2964 and that is an incorrect typing.
2965
2966 </para>
2967 </listitem>
2968
2969 <listitem>
2970 <para>
2971 The pattern type signature is a monotype:
2972 </para>
2973
2974 <itemizedlist>
2975 <listitem> <para> 
2976 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2977 </para> </listitem>
2978
2979 <listitem>  <para> 
2980 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2981 not to type schemes.
2982 </para> </listitem>
2983
2984 <listitem>  <para> 
2985 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2986 ordinary type signatures).
2987 </para> </listitem>
2988
2989 </itemizedlist>
2990
2991 </listitem>
2992
2993 <listitem>
2994 <para>
2995
2996 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2997 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2998
2999
3000 <programlisting>
3001   class C a where
3002     op :: [a] -> a
3003
3004     op xs = let ys::[a]
3005                 ys = reverse xs
3006             in
3007             head ys
3008 </programlisting>
3009
3010
3011 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
3012 </para>
3013 </listitem>
3014
3015 </itemizedlist>
3016
3017 </para>
3018
3019 </sect3>
3020
3021 <sect3 id="decl-type-sigs">
3022 <title>Declaration type signatures</title>
3023 <para>A declaration type signature that has <emphasis>explicit</emphasis>
3024 quantification (using <literal>forall</literal>) brings into scope the
3025 explicitly-quantified
3026 type variables, in the definition of the named function(s).  For example:
3027 <programlisting>
3028   f :: forall a. [a] -> [a]
3029   f (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3030 </programlisting>
3031 The "<literal>forall a</literal>" brings "<literal>a</literal>" into scope in
3032 the definition of "<literal>f</literal>".
3033 </para>
3034 <para>This only happens if the quantification in <literal>f</literal>'s type
3035 signature is explicit.  For example:
3036 <programlisting>
3037   g :: [a] -> [a]
3038   g (x:xs) = xs ++ [ x :: a ]
3039 </programlisting>
3040 This program will be rejected, because "<literal>a</literal>" does not scope
3041 over the definition of "<literal>f</literal>", so "<literal>x::a</literal>"
3042 means "<literal>x::forall a. a</literal>" by Haskell's usual implicit
3043 quantification rules.
3044 </para>
3045 </sect3>
3046
3047 <sect3 id="pattern-type-sigs">
3048 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
3049
3050 <para>
3051 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
3052 <itemizedlist>
3053
3054 <listitem>
3055 <para>
3056 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
3057 just on a variable:
3058
3059
3060 <programlisting>
3061   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
3062 </programlisting>
3063
3064
3065 </para>
3066 </listitem>
3067 <listitem>
3068
3069 <para>
3070  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3071 in lambda abstractions:
3072
3073 <programlisting>
3074   (\ (x::a, y) :: a -> x)
3075 </programlisting>
3076 </para>
3077 </listitem>
3078 <listitem>
3079
3080 <para>
3081  Pattern type signatures, including the result part, can be used
3082 in <literal>case</literal> expressions:
3083
3084 <programlisting>
3085   case e of { ((x::a, y) :: (a,b)) -> x }
3086 </programlisting>
3087
3088 Note that the <literal>-&gt;</literal> symbol in a case alternative
3089 leads to difficulties when parsing a type signature in the pattern: in
3090 the absence of the extra parentheses in the example above, the parser
3091 would try to interpret the <literal>-&gt;</literal> as a function
3092 arrow and give a parse error later.
3093
3094 </para>
3095
3096 </listitem>
3097
3098 <listitem>
3099 <para>
3100 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
3101 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
3102 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
3103 consider how one would parse this:
3104
3105
3106 <programlisting>
3107   \ x :: a -> b -> x
3108 </programlisting>
3109
3110
3111 </para>
3112 </listitem>
3113
3114 <listitem>
3115
3116 <para>
3117  Pattern type signatures can bind existential type variables.
3118 For example:
3119
3120
3121 <programlisting>
3122   data T = forall a. MkT [a]
3123
3124   f :: T -> T
3125   f (MkT [t::a]) = MkT t3
3126                  where
3127                    t3::[a] = [t,t,t]
3128 </programlisting>
3129
3130
3131 </para>
3132 </listitem>
3133
3134
3135 <listitem>
3136
3137 <para>
3138 Pattern type signatures 
3139 can be used in pattern bindings:
3140
3141 <programlisting>
3142   f x = let (y, z::a) = x in ...
3143   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
3144   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
3145   f3 :: (b->b)        = \x -> x
3146 </programlisting>
3147
3148 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
3149 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
3150 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
3151 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
3152 In contrast, the binding
3153 <programlisting>
3154   f4 :: b->b
3155   f4 = \x -> x
3156 </programlisting>
3157 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
3158 in <literal>f4</literal>'s scope.
3159
3160 </para>
3161 </listitem>
3162 </itemizedlist>
3163 </para>
3164 <para>Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
3165 type signatures.  The two can be used independently or together.</para>
3166
3167 </sect3>
3168
3169 <sect3 id="result-type-sigs">
3170 <title>Result type signatures</title>
3171
3172 <para>
3173 The result type of a function can be given a signature, thus:
3174
3175
3176 <programlisting>
3177   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
3178 </programlisting>
3179
3180
3181 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
3182 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
3183 you want:
3184
3185
3186 <programlisting>
3187   f :: Int -> [a] -> [a]
3188   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
3189                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
3190 </programlisting>
3191
3192 </para>
3193 <para>
3194 The type variables bound in a result type signature scope over the right hand side
3195 of the definition. However, consider this corner-case:
3196 <programlisting>
3197   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3198
3199   foo ys = rev (ys::[a])
3200 </programlisting>
3201 The signature on <literal>rev1</literal> is considered a pattern type signature, not a result
3202 type signature, and the type variables it binds have the same scope as <literal>rev1</literal>
3203 itself (i.e. the right-hand side of <literal>rev1</literal> and the rest of the module too).
3204 In particular, the expression <literal>(ys::[a])</literal> is OK, because the type variable <literal>a</literal>
3205 is in scope (otherwise it would mean <literal>(ys::forall a.[a])</literal>, which would be rejected).  
3206 </para>
3207 <para>
3208 As mentioned above, <literal>rev1</literal> is made monomorphic by this scoping rule.
3209 For example, the following program would be rejected, because it claims that <literal>rev1</literal>
3210 is polymorphic:
3211 <programlisting>
3212   rev1 :: [b] -> [b]
3213   rev1 :: [a] -> [a] = \xs -> reverse xs
3214 </programlisting>
3215 </para>
3216
3217 <para>
3218 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
3219 </para>
3220
3221 </sect3>
3222
3223 </sect2>
3224
3225 <sect2 id="deriving-typeable">
3226 <title>Deriving clause for classes <literal>Typeable</literal> and <literal>Data</literal></title>
3227
3228 <para>
3229 Haskell 98 allows the programmer to add "<literal>deriving( Eq, Ord )</literal>" to a data type 
3230 declaration, to generate a standard instance declaration for classes specified in the <literal>deriving</literal> clause.  
3231 In Haskell 98, the only classes that may appear in the <literal>deriving</literal> clause are the standard
3232 classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>, 
3233 <literal>Enum</literal>, <literal>Ix</literal>, <literal>Bounded</literal>, <literal>Read</literal>, and <literal>Show</literal>.
3234 </para>
3235 <para>
3236 GHC extends this list with two more classes that may be automatically derived 
3237 (provided the <option>-fglasgow-exts</option> flag is specified):
3238 <literal>Typeable</literal>, and <literal>Data</literal>.  These classes are defined in the library
3239 modules <literal>Data.Typeable</literal> and <literal>Data.Generics</literal> respectively, and the
3240 appropriate class must be in scope before it can be mentioned in the <literal>deriving</literal> clause.
3241 </para>
3242 <para>An instance of <literal>Typeable</literal> can only be derived if the
3243 data type has seven or fewer type parameters, all of kind <literal>*</literal>.
3244 The reason for this is that the <literal>Typeable</literal> class is derived using the scheme
3245 described in
3246 <ulink url="http://research.microsoft.com/%7Esimonpj/papers/hmap/gmap2.ps">
3247 Scrap More Boilerplate: Reflection, Zips, and Generalised Casts
3248 </ulink>.
3249 (Section 7.4 of the paper describes the multiple <literal>Typeable</literal> classes that
3250 are used, and only <literal>Typeable1</literal> up to
3251 <literal>Typeable7</literal> are provided in the library.)
3252 In other cases, there is nothing to stop the programmer writing a <literal>TypableX</literal>
3253 class, whose kind suits that of the data type constructor, and
3254 then writing the data type instance by hand.
3255 </para>
3256 </sect2>
3257
3258 <sect2 id="newtype-deriving">
3259 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3260
3261 <para>
3262 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3263 the new type to inherit some instances from its representation. In
3264 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3265 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3266 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3267 example, if you define
3268
3269 <programlisting> 
3270   newtype Dollars = Dollars Int 
3271 </programlisting> 
3272
3273 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3274 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3275
3276 <programlisting> 
3277   instance Num Dollars where
3278     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3279     ...
3280 </programlisting>
3281 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3282 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3283 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3284 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3285 dictionary, only slower!
3286 </para>
3287
3288
3289 <sect3> <title> Generalising the deriving clause </title>
3290 <para>
3291 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3292 <programlisting> 
3293   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3294 </programlisting> 
3295
3296 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3297 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3298 derives an instance declaration of the form
3299
3300 <programlisting> 
3301   instance Num Int => Num Dollars
3302 </programlisting> 
3303
3304 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3305 </para>
3306 <para>
3307
3308 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3309 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3310 transformers, such that
3311
3312 <programlisting> 
3313   instance Monad m => Monad (State s m) 
3314   instance Monad m => Monad (Failure m)
3315 </programlisting> 
3316 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3317 <programlisting> 
3318   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3319 </programlisting> 
3320
3321 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3322 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3323 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3324
3325 <programlisting> 
3326   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3327                          deriving Monad
3328 </programlisting>
3329 In this case the derived instance declaration is of the form 
3330 <programlisting> 
3331   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3332 </programlisting> 
3333
3334 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3335 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3336 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3337 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3338 declaration.
3339 </para>
3340 <para>
3341
3342 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3343 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3344 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3345 clause. For example, given the class
3346
3347 <programlisting> 
3348   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3349   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3350 </programlisting> 
3351 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3352 <programlisting> 
3353   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3354                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3355 </programlisting>
3356
3357 The derived instance is obtained by completing the application of the
3358 class to the new type:
3359
3360 <programlisting> 
3361   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3362            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3363 </programlisting>
3364 </para>
3365 <para>
3366
3367 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3368  declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3369 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3370 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3371 the newtype and its representation.
3372 </para>
3373 </sect3>
3374
3375 <sect3> <title> A more precise specification </title>
3376 <para>
3377 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3378 declaration (after expansion of any type synonyms)
3379
3380 <programlisting> 
3381   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3382 </programlisting> 
3383
3384 where 
3385  <itemizedlist>
3386 <listitem><para>
3387   <literal>S</literal> is a type constructor, 
3388 </para></listitem>
3389 <listitem><para>
3390   The <literal>t1...tk</literal> are types,
3391 </para></listitem>
3392 <listitem><para>
3393   The <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3394   the <literal>ti</literal>, and
3395 </para></listitem>
3396 <listitem><para>
3397   The <literal>ci</literal> are partial applications of
3398   classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>, where the arity of <literal>C</literal>
3399   is exactly <literal>j+1</literal>.  That is, <literal>C</literal> lacks exactly one type argument.
3400 </para></listitem>
3401 <listitem><para>
3402   None of the <literal>ci</literal> is <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, 
3403                 <literal>Typeable</literal>, or <literal>Data</literal>.  These classes
3404                 should not "look through" the type or its constructor.  You can still
3405                 derive these classes for a newtype, but it happens in the usual way, not 
3406                 via this new mechanism.  
3407 </para></listitem>
3408 </itemizedlist>
3409 Then, for each <literal>ci</literal>, the derived instance
3410 declaration is:
3411 <programlisting> 
3412   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3413 </programlisting>
3414 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3415 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3416 </para>
3417 <para>
3418
3419 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3420 <programlisting> 
3421   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3422 </programlisting> 
3423 Here we cannot derive the instance 
3424 <programlisting> 
3425   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3426 </programlisting> 
3427
3428 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3429 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3430 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3431 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3432 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3433 </para>
3434 <para>
3435
3436 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3437 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3438 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3439
3440 <programlisting> 
3441   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3442 </programlisting>
3443
3444 then we would not have been able to derive an instance for the
3445 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3446 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3447 instances is most interesting.
3448 </para>
3449 <para>Lastly, all of this applies only for classes other than
3450 <literal>Read</literal>, <literal>Show</literal>, <literal>Typeable</literal>, 
3451 and <literal>Data</literal>, for which the built-in derivation applies (section
3452 4.3.3. of the Haskell Report).
3453 (For the standard classes <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3454 <literal>Ix</literal>, and <literal>Bounded</literal> it is immaterial whether
3455 the standard method is used or the one described here.)
3456 </para>
3457 </sect3>
3458
3459 </sect2>
3460
3461 <sect2 id="typing-binds">
3462 <title>Generalised typing of mutually recursive bindings</title>
3463
3464 <para>
3465 The Haskell Report specifies that a group of bindings (at top level, or in a
3466 <literal>let</literal> or <literal>where</literal>) should be sorted into
3467 strongly-connected components, and then type-checked in dependency order
3468 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.1">Haskell
3469 Report, Section 4.5.1</ulink>).  
3470 As each group is type-checked, any binders of the group that
3471 have
3472 an explicit type signature are put in the type environment with the specified
3473 polymorphic type,
3474 and all others are monomorphic until the group is generalised 
3475 (<ulink url="http://haskell.org/onlinereport/decls.html#sect4.5.2">Haskell Report, Section 4.5.2</ulink>).
3476 </para>
3477
3478 <para>Following a suggestion of Mark Jones, in his paper
3479 <ulink url="http://www.cse.ogi.edu/~mpj/thih/">Typing Haskell in
3480 Haskell</ulink>,
3481 GHC implements a more general scheme.  If <option>-fglasgow-exts</option> is
3482 specified:
3483 <emphasis>the dependency analysis ignores references to variables that have an explicit
3484 type signature</emphasis>.
3485 As a result of this refined dependency analysis, the dependency groups are smaller, and more bindings will
3486 typecheck.  For example, consider:
3487 <programlisting>
3488   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3489   f x = (x == x) || g True || g "Yes"
3490   
3491   g y = (y &lt;= y) || f True
3492 </programlisting>
3493 This is rejected by Haskell 98, but under Jones's scheme the definition for
3494 <literal>g</literal> is typechecked first, separately from that for
3495 <literal>f</literal>,
3496 because the reference to <literal>f</literal> in <literal>g</literal>'s right
3497 hand side is ingored by the dependency analysis.  Then <literal>g</literal>'s
3498 type is generalised, to get
3499 <programlisting>
3500   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3501 </programlisting>
3502 Now, the defintion for <literal>f</literal> is typechecked, with this type for
3503 <literal>g</literal> in the type environment.
3504 </para>
3505
3506 <para>
3507 The same refined dependency analysis also allows the type signatures of 
3508 mutually-recursive functions to have different contexts, something that is illegal in
3509 Haskell 98 (Section 4.5.2, last sentence).  With
3510 <option>-fglasgow-exts</option>
3511 GHC only insists that the type signatures of a <emphasis>refined</emphasis> group have identical
3512 type signatures; in practice this means that only variables bound by the same
3513 pattern binding must have the same context.  For example, this is fine:
3514 <programlisting>
3515   f :: Eq a =&gt; a -> Bool
3516   f x = (x == x) || g True
3517   
3518   g :: Ord a =&gt; a -> Bool
3519   g y = (y &lt;= y) || f True
3520 </programlisting>
3521 </para>
3522 </sect2>
3523
3524 </sect1>
3525 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
3526   
3527 <!-- ====================== Generalised algebraic data types =======================  -->
3528
3529 <sect1 id="gadt">
3530 <title>Generalised Algebraic Data Types</title>
3531
3532 <para>Generalised Algebraic Data Types (GADTs) generalise ordinary algebraic data types by allowing you
3533 to give the type signatures of constructors explicitly.  For example:
3534 <programlisting>
3535   data Term a where
3536       Lit    :: Int -> Term Int
3537       Succ   :: Term Int -> Term Int
3538       IsZero :: Term Int -> Term Bool   
3539       If     :: Term Bool -> Term a -> Term a -> Term a
3540       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3541 </programlisting>
3542 Notice that the return type of the constructors is not always <literal>Term a</literal>, as is the
3543 case with ordinary vanilla data types.  Now we can write a well-typed <literal>eval</literal> function
3544 for these <literal>Terms</literal>:
3545 <programlisting>
3546   eval :: Term a -> a
3547   eval (Lit i)      = i
3548   eval (Succ t)     = 1 + eval t
3549   eval (IsZero i)   = eval i == 0
3550   eval (If b e1 e2) = if eval b then eval e1 else eval e2
3551   eval (Pair e1 e2) = (eval e2, eval e2)
3552 </programlisting>
3553 These and many other examples are given in papers by Hongwei Xi, and Tim Sheard.
3554 </para>
3555 <para> The extensions to GHC are these:
3556 <itemizedlist>
3557 <listitem><para>
3558   Data type declarations have a 'where' form, as exemplified above.  The type signature of
3559 each constructor is independent, and is implicitly universally quantified as usual. Unlike a normal
3560 Haskell data type declaration, the type variable(s) in the "<literal>data Term a where</literal>" header 
3561 have no scope.  Indeed, one can write a kind signature instead:
3562 <programlisting>
3563   data Term :: * -> * where ...
3564 </programlisting>
3565 or even a mixture of the two:
3566 <programlisting>
3567   data Foo a :: (* -> *) -> * where ...
3568 </programlisting>
3569 The type variables (if given) may be explicitly kinded, so we could also write the header for <literal>Foo</literal>
3570 like this:
3571 <programlisting>
3572   data Foo a (b :: * -> *) where ...
3573 </programlisting>
3574 </para></listitem>
3575
3576 <listitem><para>
3577 There are no restrictions on the type of the data constructor, except that the result
3578 type must begin with the type constructor being defined.  For example, in the <literal>Term</literal> data
3579 type above, the type of each constructor must end with <literal> ... -> Term ...</literal>.
3580 </para></listitem>
3581
3582 <listitem><para>
3583 You cannot use record syntax on a GADT-style data type declaration.  (
3584 It's not clear what these it would mean.  For example,
3585 the record selectors might ill-typed.)
3586 However, you can use strictness annotations, in the obvious places
3587 in the constructor type:
3588 <programlisting>
3589   data Term a where
3590       Lit    :: !Int -> Term Int
3591       If     :: Term Bool -> !(Term a) -> !(Term a) -> Term a
3592       Pair   :: Term a -> Term b -> Term (a,b)
3593 </programlisting>
3594 </para></listitem>
3595
3596 <listitem><para>
3597 You can use a <literal>deriving</literal> clause on a GADT-style data type
3598 declaration, but only if the data type could also have been declared in
3599 Haskell-98 syntax.   For example, these two declarations are equivalent
3600 <programlisting>
3601   data Maybe1 a where {
3602       Nothing1 :: Maybe a ;
3603       Just1    :: a -> Maybe a
3604     } deriving( Eq, Ord )
3605
3606   data Maybe2 a = Nothing2 | Just2 a 
3607        deriving( Eq, Ord )
3608 </programlisting>
3609 This simply allows you to declare a vanilla Haskell-98 data type using the
3610 <literal>where</literal> form without losing the <literal>deriving</literal> clause.
3611 </para></listitem>
3612
3613 <listitem><para>
3614 Pattern matching causes type refinement.  For example, in the right hand side of the equation
3615 <programlisting>
3616   eval :: Term a -> a
3617   eval (Lit i) =  ...
3618 </programlisting>
3619 the type <literal>a</literal> is refined to <literal>Int</literal>.  (That's the whole point!)
3620 A precise specification of the type rules is beyond what this user manual aspires to, but there is a paper
3621 about the ideas: "Wobbly types: practical type inference for generalised algebraic data types", on Simon PJ's home page.</para>
3622
3623 <para> The general principle is this: <emphasis>type refinement is only carried out based on user-supplied type annotations</emphasis>.
3624 So if no type signature is supplied for <literal>eval</literal>, no type refinement happens, and lots of obscure error messages will
3625 occur.  However, the refinement is quite general.  For example, if we had:
3626 <programlisting>
3627   eval :: Term a -> a -> a
3628   eval (Lit i) j =  i+j
3629 </programlisting>
3630 the pattern match causes the type <literal>a</literal> to be refined to <literal>Int</literal> (because of the type
3631 of the constructor <literal>Lit</literal>, and that refinement also applies to the type of <literal>j</literal>, and
3632 the result type of the <literal>case</literal> expression.  Hence the addition <literal>i+j</literal> is legal.
3633 </para>
3634 </listitem>
3635 </itemizedlist>
3636 </para>
3637
3638 <para>Notice that GADTs generalise existential types.  For example, these two declarations are equivalent:
3639 <programlisting>
3640   data T a = forall b. MkT b (b->a)
3641   data T' a where { MKT :: b -> (b->a) -> T' a }
3642 </programlisting>
3643 </para>
3644 </sect1>
3645
3646 <!-- ====================== End of Generalised algebraic data types =======================  -->
3647
3648 <!-- ====================== TEMPLATE HASKELL =======================  -->
3649
3650 <sect1 id="template-haskell">
3651 <title>Template Haskell</title>
3652
3653 <para>Template Haskell allows you to do compile-time meta-programming in Haskell.  There is a "home page" for
3654 Template Haskell at <ulink url="http://www.haskell.org/th/">
3655 http://www.haskell.org/th/</ulink>, while
3656 the background to
3657 the main technical innovations is discussed in "<ulink
3658 url="http://research.microsoft.com/~simonpj/papers/meta-haskell">
3659 Template Meta-programming for Haskell</ulink>" (Proc Haskell Workshop 2002).
3660 The details of the Template Haskell design are still in flux.  Make sure you
3661 consult the <ulink url="http://www.haskell.org/ghc/docs/latest/html/libraries/index.html">online library reference material</ulink> 
3662 (search for the type ExpQ).
3663 [Temporary: many changes to the original design are described in 
3664       <ulink url="http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps">"http://research.microsoft.com/~simonpj/tmp/notes2.ps"</ulink>.
3665 Not all of these changes are in GHC 6.2.]
3666 </para>
3667
3668 <para> The first example from that paper is set out below as a worked example to help get you started. 
3669 </para>
3670
3671 <para>
3672 The documentation here describes the realisation in GHC.  (It's rather sketchy just now;
3673 Tim Sheard is going to expand it.)
3674 </para>
3675
3676     <sect2>
3677       <title>Syntax</title>
3678
3679       <para> Template Haskell has the following new syntactic
3680       constructions.  You need to use the flag
3681       <option>-fth</option><indexterm><primary><option>-fth</option></primary>
3682       </indexterm>to switch these syntactic extensions on
3683       (<option>-fth</option> is currently implied by
3684       <option>-fglasgow-exts</option>, but you are encouraged to
3685       specify it explicitly).</para>
3686
3687         <itemizedlist>
3688               <listitem><para>
3689                   A splice is written <literal>$x</literal>, where <literal>x</literal> is an
3690                   identifier, or <literal>$(...)</literal>, where the "..." is an arbitrary expression.
3691                   There must be no space between the "$" and the identifier or parenthesis.  This use
3692                   of "$" overrides its meaning as an infix operator, just as "M.x" overrides the meaning
3693                   of "." as an infix operator.  If you want the infix operator, put spaces around it.
3694                   </para>
3695               <para> A splice can occur in place of 
3696                   <itemizedlist>
3697                     <listitem><para> an expression; the spliced expression must
3698                     have type <literal>Q Exp</literal></para></listitem>
3699                     <listitem><para> a list of top-level declarations; ; the spliced expression must have type <literal>Q [Dec]</literal></para></listitem>
3700                     <listitem><para> [Planned, but not implemented yet.] a
3701                     type; the spliced expression must have type <literal>Q Typ</literal>.</para></listitem>
3702                     </itemizedlist>
3703            (Note that the syntax for a declaration splice uses "<literal>$</literal>" not "<literal>splice</literal>" as in
3704         the paper. Also the type of the enclosed expression must be  <literal>Q [Dec]</literal>, not  <literal>[Q Dec]</literal>
3705         as in the paper.)
3706                 </para></listitem>
3707
3708
3709               <listitem><para>
3710                   A expression quotation is written in Oxford brackets, thus:
3711                   <itemizedlist>
3712                     <listitem><para> <literal>[| ... |]</literal>, where the "..." is an expression; 
3713                              the quotation has type <literal>Expr</literal>.</para></listitem>
3714                     <listitem><para> <literal>[d| ... |]</literal>, where the "..." is a list of top-level declarations;
3715                              the quotation has type <literal>Q [Dec]</literal>.</para></listitem>
3716                     <listitem><para>  [Planned, but not implemented yet.]  <literal>[t| ... |]</literal>, where the "..." is a type; 
3717                              the quotation has type <literal>Type</literal>.</para></listitem>
3718                   </itemizedlist></para></listitem>
3719
3720               <listitem><para>
3721                   Reification is written thus:
3722                   <itemizedlist>
3723                     <listitem><para> <literal>reifyDecl T</literal>, where <literal>T</literal> is a type constructor; this expression
3724                       has type <literal>Dec</literal>. </para></listitem>
3725                     <listitem><para> <literal>reifyDecl C</literal>, where <literal>C</literal> is a class; has type <literal>Dec</literal>.</para></listitem>
3726                     <listitem><para> <literal>reifyType f</literal>, where <literal>f</literal> is an identifier; has type <literal>Typ</literal>.</para></listitem>
3727                     <listitem><para> Still to come: fixities </para></listitem>
3728                     
3729                   </itemizedlist></para>
3730                 </listitem>
3731
3732                   
3733         </itemizedlist>
3734 </sect2>
3735
3736 <sect2>  <title> Using Template Haskell </title>
3737 <para>
3738 <itemizedlist>
3739     <listitem><para>
3740     The data types and monadic constructor functions for Template Haskell are in the library
3741     <literal>Language.Haskell.THSyntax</literal>.
3742     </para></listitem>
3743
3744     <listitem><para>
3745     You can only run a function at compile time if it is imported from another module.  That is,
3746             you can't define a function in a module, and call it from within a splice in the same module.
3747             (It would make sense to do so, but it's hard to implement.)
3748    </para></listitem>
3749
3750     <listitem><para>
3751             The flag <literal>-ddump-splices</literal> shows the expansion of all top-level splices as they happen.
3752    </para></listitem>
3753     <listitem><para>
3754             If you are building GHC from source, you need at least a stage-2 bootstrap compiler to
3755               run Template Haskell.  A stage-1 compiler will reject the TH constructs.  Reason: TH
3756               compiles and runs a program, and then looks at the result.  So it's important that
3757               the program it compiles produces results whose representations are identical to
3758               those of the compiler itself.
3759    </para></listitem>
3760 </itemizedlist>
3761 </para>
3762 <para> Template Haskell works in any mode (<literal>--make</literal>, <literal>--interactive</literal>,
3763         or file-at-a-time).  There used to be a restriction to the former two, but that restriction 
3764         has been lifted.
3765 </para>
3766 </sect2>
3767  
3768 <sect2>  <title> A Template Haskell Worked Example </title>
3769 <para>To help you get over the confidence barrier, try out this skeletal worked example.
3770   First cut and paste the two modules below into "Main.hs" and "Printf.hs":</para>
3771
3772 <programlisting>
3773
3774 {- Main.hs -}
3775 module Main where
3776
3777 -- Import our template "pr"
3778 import Printf ( pr )
3779
3780 -- The splice operator $ takes the Haskell source code
3781 -- generated at compile time by "pr" and splices it into
3782 -- the argument of "putStrLn".
3783 main = putStrLn ( $(pr "Hello") )
3784
3785
3786 {- Printf.hs -}
3787 module Printf where
3788
3789 -- Skeletal printf from the paper.
3790 -- It needs to be in a separate module to the one where
3791 -- you intend to use it.
3792
3793 -- Import some Template Haskell syntax
3794 import Language.Haskell.TH
3795
3796 -- Describe a format string
3797 data Format = D | S | L String
3798
3799 -- Parse a format string.  This is left largely to you
3800 -- as we are here interested in building our first ever
3801 -- Template Haskell program and not in building printf.
3802 parse :: String -> [Format]
3803 parse s   = [ L s ]
3804
3805 -- Generate Haskell source code from a parsed representation
3806 -- of the format string.  This code will be spliced into
3807 -- the module which calls "pr", at compile time.
3808 gen :: [Format] -> ExpQ
3809 gen [D]   = [| \n -> show n |]
3810 gen [S]   = [| \s -> s |]
3811 gen [L s] = stringE s
3812
3813 -- Here we generate the Haskell code for the splice
3814 -- from an input format string.
3815 pr :: String -> ExpQ
3816 pr s      = gen (parse s)
3817 </programlisting>
3818
3819 <para>Now run the compiler (here we are a Cygwin prompt on Windows):
3820 </para>
3821 <programlisting>
3822 $ ghc --make -fth main.hs -o main.exe
3823 </programlisting>
3824
3825 <para>Run "main.exe" and here is your output:</para>
3826
3827 <programlisting>
3828 $ ./main
3829 Hello
3830 </programlisting>
3831
3832 </sect2>
3833  
3834 </sect1>
3835
3836 <!-- ===================== Arrow notation ===================  -->
3837
3838 <sect1 id="arrow-notation">
3839 <title>Arrow notation
3840 </title>
3841
3842 <para>Arrows are a generalization of monads introduced by John Hughes.
3843 For more details, see
3844 <itemizedlist>
3845
3846 <listitem>
3847 <para>
3848 &ldquo;Generalising Monads to Arrows&rdquo;,
3849 John Hughes, in <citetitle>Science of Computer Programming</citetitle> 37,
3850 pp67&ndash;111, May 2000.
3851 </para>
3852 </listitem>
3853
3854 <listitem>
3855 <para>
3856 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/notation.html">A New Notation for Arrows</ulink>&rdquo;,
3857 Ross Paterson, in <citetitle>ICFP</citetitle>, Sep 2001.
3858 </para>
3859 </listitem>
3860
3861 <listitem>
3862 <para>
3863 &ldquo;<ulink url="http://www.soi.city.ac.uk/~ross/papers/fop.html">Arrows and Computation</ulink>&rdquo;,
3864 Ross Paterson, in <citetitle>The Fun of Programming</citetitle>,
3865 Palgrave, 2003.
3866 </para>
3867 </listitem>
3868
3869 </itemizedlist>
3870 and the arrows web page at
3871 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/"><literal>http://www.haskell.org/arrows/</literal></ulink>.
3872 With the <option>-farrows</option> flag, GHC supports the arrow
3873 notation described in the second of these papers.
3874 What follows is a brief introduction to the notation;
3875 it won't make much sense unless you've read Hughes's paper.
3876 This notation is translated to ordinary Haskell,
3877 using combinators from the
3878 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3879 module.
3880 </para>
3881
3882 <para>The extension adds a new kind of expression for defining arrows:
3883 <screen>
3884 <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> ::= ...
3885        |  proc <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3886 </screen>
3887 where <literal>proc</literal> is a new keyword.
3888 The variables of the pattern are bound in the body of the 
3889 <literal>proc</literal>-expression,
3890 which is a new sort of thing called a <firstterm>command</firstterm>.
3891 The syntax of commands is as follows:
3892 <screen>
3893 <replaceable>cmd</replaceable>   ::= <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;  <replaceable>exp</replaceable>
3894        |  <replaceable>exp</replaceable><superscript>10</superscript> -&lt;&lt; <replaceable>exp</replaceable>
3895        |  <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript>
3896 </screen>
3897 with <replaceable>cmd</replaceable><superscript>0</superscript> up to
3898 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>9</superscript> defined using
3899 infix operators as for expressions, and
3900 <screen>
3901 <replaceable>cmd</replaceable><superscript>10</superscript> ::= \ <replaceable>apat</replaceable> ... <replaceable>apat</replaceable> -> <replaceable>cmd</replaceable>
3902        |  let <replaceable>decls</replaceable> in <replaceable>cmd</replaceable>
3903        |  if <replaceable>exp</replaceable> then <replaceable>cmd</replaceable> else <replaceable>cmd</replaceable>
3904        |  case <replaceable>exp</replaceable> of { <replaceable>calts</replaceable> }
3905        |  do { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> ; <replaceable>cmd</replaceable> }
3906        |  <replaceable>fcmd</replaceable>
3907
3908 <replaceable>fcmd</replaceable>  ::= <replaceable>fcmd</replaceable> <replaceable>aexp</replaceable>
3909        |  ( <replaceable>cmd</replaceable> )
3910        |  (| <replaceable>aexp</replaceable> <replaceable>cmd</replaceable> ... <replaceable>cmd</replaceable> |)
3911
3912 <replaceable>cstmt</replaceable> ::= let <replaceable>decls</replaceable>
3913        |  <replaceable>pat</replaceable> &lt;- <replaceable>cmd</replaceable>
3914        |  rec { <replaceable>cstmt</replaceable> ; ... <replaceable>cstmt</replaceable> [;] }
3915        |  <replaceable>cmd</replaceable>
3916 </screen>
3917 where <replaceable>calts</replaceable> are like <replaceable>alts</replaceable>
3918 except that the bodies are commands instead of expressions.
3919 </para>
3920
3921 <para>
3922 Commands produce values, but (like monadic computations)
3923 may yield more than one value,
3924 or none, and may do other things as well.
3925 For the most part, familiarity with monadic notation is a good guide to
3926 using commands.
3927 However the values of expressions, even monadic ones,
3928 are determined by the values of the variables they contain;
3929 this is not necessarily the case for commands.
3930 </para>
3931
3932 <para>
3933 A simple example of the new notation is the expression
3934 <screen>
3935 proc x -> f -&lt; x+1
3936 </screen>
3937 We call this a <firstterm>procedure</firstterm> or
3938 <firstterm>arrow abstraction</firstterm>.
3939 As with a lambda expression, the variable <literal>x</literal>
3940 is a new variable bound within the <literal>proc</literal>-expression.
3941 It refers to the input to the arrow.
3942 In the above example, <literal>-&lt;</literal> is not an identifier but an
3943 new reserved symbol used for building commands from an expression of arrow
3944 type and an expression to be fed as input to that arrow.
3945 (The weird look will make more sense later.)
3946 It may be read as analogue of application for arrows.
3947 The above example is equivalent to the Haskell expression
3948 <screen>
3949 arr (\ x -> x+1) >>> f
3950 </screen>
3951 That would make no sense if the expression to the left of
3952 <literal>-&lt;</literal> involves the bound variable <literal>x</literal>.
3953 More generally, the expression to the left of <literal>-&lt;</literal>
3954 may not involve any <firstterm>local variable</firstterm>,
3955 i.e. a variable bound in the current arrow abstraction.
3956 For such a situation there is a variant <literal>-&lt;&lt;</literal>, as in
3957 <screen>
3958 proc x -> f x -&lt;&lt; x+1
3959 </screen>
3960 which is equivalent to
3961 <screen>
3962 arr (\ x -> (f x, x+1)) >>> app
3963 </screen>
3964 so in this case the arrow must belong to the <literal>ArrowApply</literal>
3965 class.
3966 Such an arrow is equivalent to a monad, so if you're using this form
3967 you may find a monadic formulation more convenient.
3968 </para>
3969
3970 <sect2>
3971 <title>do-notation for commands</title>
3972
3973 <para>
3974 Another form of command is a form of <literal>do</literal>-notation.
3975 For example, you can write
3976 <screen>
3977 proc x -> do
3978         y &lt;- f -&lt; x+1
3979         g -&lt; 2*y
3980         let z = x+y
3981         t &lt;- h -&lt; x*z
3982         returnA -&lt; t+z
3983 </screen>
3984 You can read this much like ordinary <literal>do</literal>-notation,
3985 but with commands in place of monadic expressions.
3986 The first line sends the value of <literal>x+1</literal> as an input to
3987 the arrow <literal>f</literal>, and matches its output against
3988 <literal>y</literal>.
3989 In the next line, the output is discarded.
3990 The arrow <function>returnA</function> is defined in the
3991 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
3992 module as <literal>arr id</literal>.
3993 The above example is treated as an abbreviation for
3994 <screen>
3995 arr (\ x -> (x, x)) >>>
3996         first (arr (\ x -> x+1) >>> f) >>>
3997         arr (\ (y, x) -> (y, (x, y))) >>>
3998         first (arr (\ y -> 2*y) >>> g) >>>
3999         arr snd >>>
4000         arr (\ (x, y) -> let z = x+y in ((x, z), z)) >>>
4001         first (arr (\ (x, z) -> x*z) >>> h) >>>
4002         arr (\ (t, z) -> t+z) >>>
4003         returnA
4004 </screen>
4005 Note that variables not used later in the composition are projected out.
4006 After simplification using rewrite rules (see <xref linkend="rewrite-rules"/>)
4007 defined in the
4008 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>
4009 module, this reduces to
4010 <screen>
4011 arr (\ x -> (x+1, x)) >>>
4012         first f >>>
4013         arr (\ (y, x) -> (2*y, (x, y))) >>>
4014         first g >>>
4015         arr (\ (_, (x, y)) -> let z = x+y in (x*z, z)) >>>
4016         first h >>>
4017         arr (\ (t, z) -> t+z)
4018 </screen>
4019 which is what you might have written by hand.
4020 With arrow notation, GHC keeps track of all those tuples of variables for you.
4021 </para>
4022
4023 <para>
4024 Note that although the above translation suggests that
4025 <literal>let</literal>-bound variables like <literal>z</literal> must be
4026 monomorphic, the actual translation produces Core,
4027 so polymorphic variables are allowed.
4028 </para>
4029
4030 <para>
4031 It's also possible to have mutually recursive bindings,
4032 using the new <literal>rec</literal> keyword, as in the following example:
4033 <programlisting>
4034 counter :: ArrowCircuit a => a Bool Int
4035 counter = proc reset -> do
4036         rec     output &lt;- returnA -&lt; if reset then 0 else next
4037                 next &lt;- delay 0 -&lt; output+1
4038         returnA -&lt; output
4039 </programlisting>
4040 The translation of such forms uses the <function>loop</function> combinator,
4041 so the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowLoop</literal> class.
4042 </para>
4043
4044 </sect2>
4045
4046 <sect2>
4047 <title>Conditional commands</title>
4048
4049 <para>
4050 In the previous example, we used a conditional expression to construct the
4051 input for an arrow.
4052 Sometimes we want to conditionally execute different commands, as in
4053 <screen>
4054 proc (x,y) ->
4055         if f x y
4056         then g -&lt; x+1
4057         else h -&lt; y+2
4058 </screen>
4059 which is translated to
4060 <screen>
4061 arr (\ (x,y) -> if f x y then Left x else Right y) >>>
4062         (arr (\x -> x+1) >>> f) ||| (arr (\y -> y+2) >>> g)
4063 </screen>
4064 Since the translation uses <function>|||</function>,
4065 the arrow concerned must belong to the <literal>ArrowChoice</literal> class.
4066 </para>
4067
4068 <para>
4069 There are also <literal>case</literal> commands, like
4070 <screen>
4071 case input of
4072     [] -> f -&lt; ()
4073     [x] -> g -&lt; x+1
4074     x1:x2:xs -> do
4075         y &lt;- h -&lt; (x1, x2)
4076         ys &lt;- k -&lt; xs
4077         returnA -&lt; y:ys
4078 </screen>
4079 The syntax is the same as for <literal>case</literal> expressions,
4080 except that the bodies of the alternatives are commands rather than expressions.
4081 The translation is similar to that of <literal>if</literal> commands.
4082 </para>
4083
4084 </sect2>
4085
4086 <sect2>
4087 <title>Defining your own control structures</title>
4088
4089 <para>
4090 As we're seen, arrow notation provides constructs,
4091 modelled on those for expressions,
4092 for sequencing, value recursion and conditionals.
4093 But suitable combinators,
4094 which you can define in ordinary Haskell,
4095 may also be used to build new commands out of existing ones.
4096 The basic idea is that a command defines an arrow from environments to values.
4097 These environments assign values to the free local variables of the command.
4098 Thus combinators that produce arrows from arrows
4099 may also be used to build commands from commands.
4100 For example, the <literal>ArrowChoice</literal> class includes a combinator
4101 <programlisting>
4102 ArrowChoice a => (&lt;+>) :: a e c -> a e c -> a e c
4103 </programlisting>
4104 so we can use it to build commands:
4105 <programlisting>
4106 expr' = proc x -> do
4107                 returnA -&lt; x
4108         &lt;+> do
4109                 symbol Plus -&lt; ()
4110                 y &lt;- term -&lt; ()
4111                 expr' -&lt; x + y
4112         &lt;+> do
4113                 symbol Minus -&lt; ()
4114                 y &lt;- term -&lt; ()
4115                 expr' -&lt; x - y
4116 </programlisting>
4117 (The <literal>do</literal> on the first line is needed to prevent the first
4118 <literal>&lt;+> ...</literal> from being interpreted as part of the
4119 expression on the previous line.)
4120 This is equivalent to
4121 <programlisting>
4122 expr' = (proc x -> returnA -&lt; x)
4123         &lt;+> (proc x -> do
4124                 symbol Plus -&lt; ()
4125                 y &lt;- term -&lt; ()
4126                 expr' -&lt; x + y)
4127         &lt;+> (proc x -> do
4128                 symbol Minus -&lt; ()
4129                 y &lt;- term -&lt; ()
4130                 expr' -&lt; x - y)
4131 </programlisting>
4132 It is essential that this operator be polymorphic in <literal>e</literal>
4133 (representing the environment input to the command
4134 and thence to its subcommands)
4135 and satisfy the corresponding naturality property
4136 <screen>
4137 arr k >>> (f &lt;+> g) = (arr k >>> f) &lt;+> (arr k >>> g)
4138 </screen>
4139 at least for strict <literal>k</literal>.
4140 (This should be automatic if you're not using <function>seq</function>.)
4141 This ensures that environments seen by the subcommands are environments
4142 of the whole command,
4143 and also allows the translation to safely trim these environments.
4144 The operator must also not use any variable defined within the current
4145 arrow abstraction.
4146 </para>
4147
4148 <para>
4149 We could define our own operator
4150 <programlisting>
4151 untilA :: ArrowChoice a => a e () -> a e Bool -> a e ()
4152 untilA body cond = proc x ->
4153         if cond x then returnA -&lt; ()
4154         else do
4155                 body -&lt; x
4156                 untilA body cond -&lt; x
4157 </programlisting>
4158 and use it in the same way.
4159 Of course this infix syntax only makes sense for binary operators;
4160 there is also a more general syntax involving special brackets:
4161 <screen>
4162 proc x -> do
4163         y &lt;- f -&lt; x+1
4164         (|untilA (increment -&lt; x+y) (within 0.5 -&lt; x)|)
4165 </screen>
4166 </para>
4167
4168 </sect2>
4169
4170 <sect2>
4171 <title>Primitive constructs</title>
4172
4173 <para>
4174 Some operators will need to pass additional inputs to their subcommands.
4175 For example, in an arrow type supporting exceptions,
4176 the operator that attaches an exception handler will wish to pass the
4177 exception that occurred to the handler.
4178 Such an operator might have a type
4179 <screen>
4180 handleA :: ... => a e c -> a (e,Ex) c -> a e c
4181 </screen>
4182 where <literal>Ex</literal> is the type of exceptions handled.
4183 You could then use this with arrow notation by writing a command
4184 <screen>
4185 body `handleA` \ ex -> handler
4186 </screen>
4187 so that if an exception is raised in the command <literal>body</literal>,
4188 the variable <literal>ex</literal> is bound to the value of the exception
4189 and the command <literal>handler</literal>,
4190 which typically refers to <literal>ex</literal>, is entered.
4191 Though the syntax here looks like a functional lambda,
4192 we are talking about commands, and something different is going on.
4193 The input to the arrow represented by a command consists of values for
4194 the free local variables in the command, plus a stack of anonymous values.
4195 In all the prior examples, this stack was empty.
4196 In the second argument to <function>handleA</function>,
4197 this stack consists of one value, the value of the exception.
4198 The command form of lambda merely gives this value a name.
4199 </para>
4200
4201 <para>
4202 More concretely,
4203 the values on the stack are paired to the right of the environment.
4204 So operators like <function>handleA</function> that pass
4205 extra inputs to their subcommands can be designed for use with the notation
4206 by pairing the values with the environment in this way.
4207 More precisely, the type of each argument of the operator (and its result)
4208 should have the form
4209 <screen>
4210 a (...(e,t1), ... tn) t
4211 </screen>
4212 where <replaceable>e</replaceable> is a polymorphic variable
4213 (representing the environment)
4214 and <replaceable>ti</replaceable> are the types of the values on the stack,
4215 with <replaceable>t1</replaceable> being the <quote>top</quote>.
4216 The polymorphic variable <replaceable>e</replaceable> must not occur in
4217 <replaceable>a</replaceable>, <replaceable>ti</replaceable> or
4218 <replaceable>t</replaceable>.
4219 However the arrows involved need not be the same.
4220 Here are some more examples of suitable operators:
4221 <screen>
4222 bracketA :: ... => a e b -> a (e,b) c -> a (e,c) d -> a e d
4223 runReader :: ... => a e c -> a' (e,State) c
4224 runState :: ... => a e c -> a' (e,State) (c,State)
4225 </screen>
4226 We can supply the extra input required by commands built with the last two
4227 by applying them to ordinary expressions, as in
4228 <screen>
4229 proc x -> do
4230         s &lt;- ...
4231         (|runReader (do { ... })|) s
4232 </screen>
4233 which adds <literal>s</literal> to the stack of inputs to the command
4234 built using <function>runReader</function>.
4235 </para>
4236
4237 <para>
4238 The command versions of lambda abstraction and application are analogous to
4239 the expression versions.
4240 In particular, the beta and eta rules describe equivalences of commands.
4241 These three features (operators, lambda abstraction and application)
4242 are the core of the notation; everything else can be built using them,
4243 though the results would be somewhat clumsy.
4244 For example, we could simulate <literal>do</literal>-notation by defining
4245 <programlisting>
4246 bind :: Arrow a => a e b -> a (e,b) c -> a e c
4247 u `bind` f = returnA &amp;&amp;&amp; u >>> f
4248
4249 bind_ :: Arrow a => a e b -> a e c -> a e c
4250 u `bind_` f = u `bind` (arr fst >>> f)
4251 </programlisting>
4252 We could simulate <literal>if</literal> by defining
4253 <programlisting>
4254 cond :: ArrowChoice a => a e b -> a e b -> a (e,Bool) b
4255 cond f g = arr (\ (e,b) -> if b then Left e else Right e) >>> f ||| g
4256 </programlisting>
4257 </para>
4258
4259 </sect2>
4260
4261 <sect2>
4262 <title>Differences with the paper</title>
4263
4264 <itemizedlist>
4265
4266 <listitem>
4267 <para>Instead of a single form of arrow application (arrow tail) with two
4268 translations, the implementation provides two forms
4269 <quote><literal>-&lt;</literal></quote> (first-order)
4270 and <quote><literal>-&lt;&lt;</literal></quote> (higher-order).
4271 </para>
4272 </listitem>
4273
4274 <listitem>
4275 <para>User-defined operators are flagged with banana brackets instead of
4276 a new <literal>form</literal> keyword.
4277 </para>
4278 </listitem>
4279
4280 </itemizedlist>
4281
4282 </sect2>
4283
4284 <sect2>
4285 <title>Portability</title>
4286
4287 <para>
4288 Although only GHC implements arrow notation directly,
4289 there is also a preprocessor
4290 (available from the 
4291 <ulink url="http://www.haskell.org/arrows/">arrows web page</ulink>)
4292 that translates arrow notation into Haskell 98
4293 for use with other Haskell systems.
4294 You would still want to check arrow programs with GHC;
4295 tracing type errors in the preprocessor output is not easy.
4296 Modules intended for both GHC and the preprocessor must observe some
4297 additional restrictions:
4298 <itemizedlist>
4299
4300 <listitem>
4301 <para>
4302 The module must import
4303 <ulink url="../libraries/base/Control-Arrow.html"><literal>Control.Arrow</literal></ulink>.
4304 </para>
4305 </listitem>
4306
4307 <listitem>
4308 <para>
4309 The preprocessor cannot cope with other Haskell extensions.
4310 These would have to go in separate modules.
4311 </para>
4312 </listitem>
4313
4314 <listitem>
4315 <para>
4316 Because the preprocessor targets Haskell (rather than Core),
4317 <literal>let</literal>-bound variables are monomorphic.
4318 </para>
4319 </listitem>
4320
4321 </itemizedlist>
4322 </para>
4323
4324 </sect2>
4325
4326 </sect1>
4327
4328 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
4329
4330 <sect1 id="sec-assertions">
4331 <title>Assertions
4332 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
4333 </title>
4334
4335 <para>
4336 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
4337 could define a function like the following:
4338 </para>
4339
4340 <para>
4341
4342 <programlisting>
4343 assert :: Bool -> a -> a
4344 assert False x = error "assertion failed!"
4345 assert _     x = x
4346 </programlisting>
4347
4348 </para>
4349
4350 <para>
4351 which works, but gives you back a less than useful error message --
4352 an assertion failed, but which and where?
4353 </para>
4354
4355 <para>
4356 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
4357 takes a descriptive string to include in the error message and
4358 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
4359 the source location where <function>assert</function> was used.
4360 </para>
4361
4362 <para>
4363 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
4364 use of <function>assert</function> in the user's source:
4365 </para>
4366
4367 <para>
4368
4369 <programlisting>
4370 kelvinToC :: Double -> Double
4371 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
4372 </programlisting>
4373
4374 </para>
4375
4376 <para>
4377 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
4378 assertion was made,
4379 </para>
4380
4381 <para>
4382
4383 <programlisting>
4384 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
4385 </programlisting>
4386
4387 </para>
4388
4389 <para>
4390 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
4391 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
4392 can still define and use your own versions of
4393 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
4394 <literal>Control.Exception</literal> to make use
4395 <function>assert</function> in your code.
4396 </para>
4397
4398 <para>
4399 GHC ignores assertions when optimisation is turned on with the
4400       <option>-O</option><indexterm><primary><option>-O</option></primary></indexterm> flag.  That is, expressions of the form
4401 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
4402 <literal>e</literal>.  You can also disable assertions using the
4403       <option>-fignore-asserts</option>
4404       option<indexterm><primary><option>-fignore-asserts</option></primary>
4405       </indexterm>.</para>
4406
4407 <para>
4408 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
4409 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
4410 </para>
4411
4412 </sect1>
4413
4414
4415 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
4416
4417   <sect1 id="pragmas">
4418     <title>Pragmas</title>
4419
4420     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
4421
4422     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
4423     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
4424     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
4425     of the generated code.</para>
4426
4427     <para>Pragmas all take the form
4428
4429 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
4430
4431     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
4432     pragma, and is followed optionally by information specific to that
4433     type of pragma.  Case is ignored in
4434     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
4435     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
4436     in the following sections; any pragma encountered with an
4437     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
4438     ignored.</para>
4439
4440     <sect2 id="deprecated-pragma">
4441       <title>DEPRECATED pragma</title>
4442       <indexterm><primary>DEPRECATED</primary>
4443       </indexterm>
4444
4445       <para>The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular
4446       function, class, or type, is deprecated.  There are two
4447       forms.
4448
4449       <itemizedlist>
4450         <listitem>
4451           <para>You can deprecate an entire module thus:</para>
4452 <programlisting>
4453    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
4454      ...
4455 </programlisting>
4456           <para>When you compile any module that import
4457           <literal>Wibble</literal>, GHC will print the specified
4458           message.</para>
4459         </listitem>
4460
4461         <listitem>
4462           <para>You can deprecate a function, class, type, or data constructor, with the
4463           following top-level declaration:</para>
4464 <programlisting>
4465    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
4466 </programlisting>
4467           <para>When you compile any module that imports and uses any
4468           of the specified entities, GHC will print the specified
4469           message.</para>
4470           <para> You can only depecate entities declared at top level in the module
4471           being compiled, and you can only use unqualified names in the list of
4472           entities being deprecated.  A capitalised name, such as <literal>T</literal>
4473           refers to <emphasis>either</emphasis> the type constructor <literal>T</literal>
4474           <emphasis>or</emphasis> the data constructor <literal>T</literal>, or both if
4475           both are in scope.  If both are in scope, there is currently no way to deprecate 
4476           one without the other (c.f. fixities <xref linkend="infix-tycons"/>).</para>
4477         </listitem>
4478       </itemizedlist>
4479       Any use of the deprecated item, or of anything from a deprecated
4480       module, will be flagged with an appropriate message.  However,
4481       deprecations are not reported for
4482       (a) uses of a deprecated function within its defining module, and
4483       (b) uses of a deprecated function in an export list.
4484       The latter reduces spurious complaints within a library
4485       in which one module gathers together and re-exports 
4486       the exports of several others.
4487       </para>
4488       <para>You can suppress the warnings with the flag
4489       <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
4490     </sect2>
4491
4492     <sect2 id="include-pragma">
4493       <title>INCLUDE pragma</title>
4494
4495       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma is for specifying the names
4496         of C header files that should be <literal>#include</literal>'d into
4497         the C source code generated by the compiler for the current module (if
4498         compiling via C).  For example:</para>
4499
4500 <programlisting>
4501 {-# INCLUDE "foo.h" #-}
4502 {-# INCLUDE &lt;stdio.h&gt; #-}</programlisting>
4503
4504       <para>The <literal>INCLUDE</literal> pragma(s) must appear at the top of
4505         your source file with any <literal>OPTIONS_GHC</literal>
4506         pragma(s).</para>
4507
4508       <para>An <literal>INCLUDE</literal> pragma is  the preferred alternative
4509         to the <option>-#include</option> option (<xref
4510           linkend="options-C-compiler" />), because the
4511         <literal>INCLUDE</literal> pragma is understood by other
4512         compilers.  Yet another alternative is to add the include file to each
4513         <literal>foreign import</literal> declaration in your code, but we
4514         don't recommend using this approach with GHC.</para>
4515     </sect2>
4516
4517     <sect2 id="inline-noinline-pragma">
4518       <title>INLINE and NOINLINE pragmas</title>
4519
4520       <para>These pragmas control the inlining of function
4521       definitions.</para>
4522
4523       <sect3 id="inline-pragma">
4524         <title>INLINE pragma</title>
4525         <indexterm><primary>INLINE</primary></indexterm>
4526
4527         <para>GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to
4528         inline (or &ldquo;unfold&rdquo;) functions/values that are
4529         &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call overhead
4530         and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
4531         Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too
4532         expensive&rdquo; to inline, it will not do so, nor will it
4533         export that unfolding for other modules to use.</para>
4534
4535         <para>The sledgehammer you can bring to bear is the
4536         <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE
4537         pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:</para>
4538
4539 <programlisting>
4540 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
4541
4542 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4543 {-# INLINE key_function #-}
4544 #endif
4545 </programlisting>
4546
4547         <para>(You don't need to do the C pre-processor carry-on
4548         unless you're going to stick the code through HBC&mdash;it
4549         doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)</para>
4550
4551         <para>The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma
4552         is to declare a function's &ldquo;cost&rdquo; to be very low.
4553         The normal unfolding machinery will then be very keen to
4554         inline it.</para>
4555
4556         <para>Syntactically, an <literal>INLINE</literal> pragma for a
4557         function can be put anywhere its type signature could be
4558         put.</para>
4559
4560         <para><literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly
4561         good idea for the
4562         <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or
4563         <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in
4564         a monad.  For example, in GHC's own
4565         <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:</para>
4566
4567 <programlisting>
4568 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
4569 {-# INLINE thenUs #-}
4570 {-# INLINE returnUs #-}
4571 #endif
4572 </programlisting>
4573
4574         <para>See also the <literal>NOINLINE</literal> pragma (<xref
4575         linkend="noinline-pragma"/>).</para>
4576       </sect3>
4577
4578       <sect3 id="noinline-pragma">
4579         <title>NOINLINE pragma</title>
4580         
4581         <indexterm><primary>NOINLINE</primary></indexterm>
4582         <indexterm><primary>NOTINLINE</primary></indexterm>
4583
4584         <para>The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what
4585         you'd expect: it stops the named function from being inlined
4586         by the compiler.  You shouldn't ever need to do this, unless
4587         you're very cautious about code size.</para>
4588
4589         <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
4590         <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOINLINE</literal> is
4591         specified by Haskell 98 as the standard way to disable
4592         inlining, so it should be used if you want your code to be
4593         portable).</para>
4594       </sect3>
4595
4596       <sect3 id="phase-control">
4597         <title>Phase control</title>
4598
4599         <para> Sometimes you want to control exactly when in GHC's
4600         pipeline the INLINE pragma is switched on.  Inlining happens
4601         only during runs of the <emphasis>simplifier</emphasis>.  Each
4602         run of the simplifier has a different <emphasis>phase
4603         number</emphasis>; the phase number decreases towards zero.
4604         If you use <option>-dverbose-core2core</option> you'll see the
4605         sequence of phase numbers for successive runs of the
4606         simplifier.  In an INLINE pragma you can optionally specify a
4607         phase number, thus:</para>
4608
4609         <itemizedlist>
4610           <listitem>
4611             <para>You can say "inline <literal>f</literal> in Phase 2
4612             and all subsequent phases":
4613 <programlisting>
4614   {-# INLINE [2] f #-}
4615 </programlisting>
4616             </para>
4617           </listitem>
4618
4619           <listitem>
4620             <para>You can say "inline <literal>g</literal> in all
4621             phases up to, but not including, Phase 3":
4622 <programlisting>
4623   {-# INLINE [~3] g #-}
4624 </programlisting>
4625             </para>
4626           </listitem>
4627
4628           <listitem>
4629             <para>If you omit the phase indicator, you mean "inline in
4630             all phases".</para>
4631           </listitem>
4632         </itemizedlist>
4633
4634         <para>You can use a phase number on a NOINLINE pragma too:</para>
4635
4636         <itemizedlist>
4637           <listitem>
4638             <para>You can say "do not inline <literal>f</literal>
4639             until Phase 2; in Phase 2 and subsequently behave as if
4640             there was no pragma at all":
4641 <programlisting>
4642   {-# NOINLINE [2] f #-}
4643 </programlisting>
4644             </para>
4645           </listitem>
4646
4647           <listitem>
4648             <para>You can say "do not inline <literal>g</literal> in
4649             Phase 3 or any subsequent phase; before that, behave as if
4650             there was no pragma":
4651 <programlisting>
4652   {-# NOINLINE [~3] g #-}
4653 </programlisting>
4654             </para>
4655           </listitem>
4656
4657           <listitem>
4658             <para>If you omit the phase indicator, you mean "never
4659             inline this function".</para>
4660           </listitem>
4661         </itemizedlist>
4662
4663         <para>The same phase-numbering control is available for RULES
4664         (<xref linkend="rewrite-rules"/>).</para>
4665       </sect3>
4666     </sect2>
4667
4668     <sect2 id="language-pragma">
4669       <title>LANGUAGE pragma</title>
4670
4671       <indexterm><primary>LANGUAGE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4672       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LANGUAGE</secondary></indexterm>
4673
4674       <para>This allows language extensions to be enabled in a portable way.
4675         It is the intention that all Haskell compilers support the
4676         <literal>LANGUAGE</literal> pragma with the same syntax, although not
4677         all extensions are supported by all compilers, of
4678         course.  The <literal>LANGUAGE</literal> pragma should be used instead
4679         of <literal>OPTIONS_GHC</literal>, if possible.</para>
4680
4681       <para>For example, to enable the FFI and preprocessing with CPP:</para>
4682
4683 <programlisting>{-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface, CPP #-}</programlisting>
4684
4685       <para>Any extension from the <literal>Extension</literal> type defined in
4686         <ulink
4687           url="../libraries/Cabal/Language-Haskell-Extension.html"><literal>Language.Haskell.Extension</literal></ulink> may be used.  GHC will report an error if any of the requested extensions are not supported.</para>
4688     </sect2>
4689
4690
4691     <sect2 id="line-pragma">
4692       <title>LINE pragma</title>
4693
4694       <indexterm><primary>LINE</primary><secondary>pragma</secondary></indexterm>
4695       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>LINE</secondary></indexterm>
4696       <para>This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal>
4697       pragma, and is mainly for use in automatically generated Haskell
4698       code.  It lets you specify the line number and filename of the
4699       original code; for example</para>
4700
4701 <programlisting>{-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}</programlisting>
4702
4703       <para>if you'd generated the current file from something called
4704       <filename>Foo.vhs</filename> and this line corresponds to line
4705       42 in the original.  GHC will adjust its error messages to refer
4706       to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
4707       pragma.</para>
4708     </sect2>
4709
4710     <sect2 id="options-pragma">
4711       <title>OPTIONS_GHC pragma</title>
4712       <indexterm><primary>OPTIONS_GHC</primary>
4713       </indexterm>
4714       <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>OPTIONS_GHC</secondary>
4715       </indexterm>
4716
4717       <para>The <literal>OPTIONS_GHC</literal> pragma is used to specify
4718       additional options that are given to the compiler when compiling
4719       this source file.  See <xref linkend="source-file-options"/> for
4720       details.</para>
4721
4722       <para>Previous versions of GHC accepted <literal>OPTIONS</literal> rather
4723         than <literal>OPTIONS_GHC</literal>, but that is now deprecated.</para>
4724     </sect2>
4725
4726     <sect2 id="rules">
4727       <title>RULES pragma</title>
4728
4729       <para>The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is
4730       described in <xref linkend="rewrite-rules"/>.</para>
4731     </sect2>
4732
4733     <sect2 id="specialize-pragma">
4734       <title>SPECIALIZE pragma</title>
4735
4736       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4737       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
4738       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4739
4740       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
4741       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
4742       specialised to particular types.  Thus, if you have an
4743       overloaded function:</para>
4744
4745 <programlisting>
4746   hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
4747 </programlisting>
4748
4749       <para>If it is heavily used on lists with
4750       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
4751       follows:</para>
4752
4753 <programlisting>
4754   {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
4755 </programlisting>
4756
4757       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
4758       be put anywhere its type signature could be put.</para>
4759
4760       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> has the effect of generating
4761       (a) a specialised version of the function and (b) a rewrite rule
4762       (see <xref linkend="rewrite-rules"/>) that rewrites a call to the
4763       un-specialised function into a call to the specialised one.</para>
4764
4765       <para>The type in a SPECIALIZE pragma can be any type that is less
4766         polymorphic than the type of the original function.  In concrete terms,
4767         if the original function is <literal>f</literal> then the pragma
4768 <programlisting>
4769   {-# SPECIALIZE f :: &lt;type&gt; #-}
4770 </programlisting>
4771       is valid if and only if the defintion
4772 <programlisting>
4773   f_spec :: &lt;type&gt;
4774   f_spec = f
4775 </programlisting>
4776       is valid.  Here are some examples (where we only give the type signature
4777       for the original function, not its code):
4778 <programlisting>
4779   f :: Eq a => a -> b -> b
4780   {-# SPECIALISE g :: Int -> b -> b #-}
4781
4782   g :: (Eq a, Ix b) => a -> b -> b
4783   {-# SPECIALISE g :: (Eq a) => a -> Int -> Int #-}
4784
4785   h :: Eq a => a -> a -> a
4786   {-# SPECIALISE h :: (Eq a) => [a] -> [a] -> [a] #-}
4787 </programlisting>  
4788 The last of these examples will generate a 
4789 RULE with a somewhat-complex left-hand side (try it yourself), so it might not fire very
4790 well.  If you use this kind of specialisation, let us know how well it works.
4791 </para>
4792
4793       <para>Note: In earlier versions of GHC, it was possible to provide your own
4794       specialised function for a given type:
4795
4796 <programlisting>
4797 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Int, value)] -> Int -> value = intLookup #-}
4798 </programlisting>
4799
4800       This feature has been removed, as it is now subsumed by the
4801       <literal>RULES</literal> pragma (see <xref linkend="rule-spec"/>).</para>
4802
4803     </sect2>
4804
4805 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
4806 <title>SPECIALIZE instance pragma
4807 </title>
4808
4809 <para>
4810 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
4811 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
4812 Same idea, except for instance declarations.  For example:
4813
4814 <programlisting>
4815 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
4816    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
4817    ... usual stuff ...
4818  }
4819 </programlisting>
4820 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
4821 of the instance declaration.
4822 </para>
4823 <para>
4824 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
4825 of the pragma.
4826 </para>
4827
4828 </sect2>
4829
4830     <sect2 id="unpack-pragma">
4831       <title>UNPACK pragma</title>
4832
4833       <indexterm><primary>UNPACK</primary></indexterm>
4834       
4835       <para>The <literal>UNPACK</literal> indicates to the compiler
4836       that it should unpack the contents of a constructor field into
4837       the constructor itself, removing a level of indirection.  For
4838       example:</para>
4839
4840 <programlisting>
4841 data T = T {-# UNPACK #-} !Float
4842            {-# UNPACK #-} !Float
4843 </programlisting>
4844
4845       <para>will create a constructor <literal>T</literal> containing
4846       two unboxed floats.  This may not always be an optimisation: if
4847       the <function>T</function> constructor is scrutinised and the
4848       floats passed to a non-strict function for example, they will
4849       have to be reboxed (this is done automatically by the
4850       compiler).</para>
4851
4852       <para>Unpacking constructor fields should only be used in
4853       conjunction with <option>-O</option>, in order to expose
4854       unfoldings to the compiler so the reboxing can be removed as
4855       often as possible.  For example:</para>
4856
4857 <programlisting>
4858 f :: T -&#62; Float
4859 f (T f1 f2) = f1 + f2
4860 </programlisting>
4861
4862       <para>The compiler will avoid reboxing <function>f1</function>
4863       and <function>f2</function> by inlining <function>+</function>
4864       on floats, but only when <option>-O</option> is on.</para>
4865
4866       <para>Any single-constructor data is eligible for unpacking; for
4867       example</para>
4868
4869 <programlisting>
4870 data T = T {-# UNPACK #-} !(Int,Int)
4871 </programlisting>
4872
4873       <para>will store the two <literal>Int</literal>s directly in the
4874       <function>T</function> constructor, by flattening the pair.
4875       Multi-level unpacking is also supported:</para>
4876
4877 <programlisting>
4878 data T = T {-# UNPACK #-} !S
4879 data S = S {-# UNPACK #-} !Int {-# UNPACK #-} !Int
4880 </programlisting>
4881
4882       <para>will store two unboxed <literal>Int&num;</literal>s
4883       directly in the <function>T</function> constructor.  The
4884       unpacker can see through newtypes, too.</para>
4885
4886       <para>If a field cannot be unpacked, you will not get a warning,
4887       so it might be an idea to check the generated code with
4888       <option>-ddump-simpl</option>.</para>
4889
4890       <para>See also the <option>-funbox-strict-fields</option> flag,
4891       which essentially has the effect of adding
4892       <literal>{-#&nbsp;UNPACK&nbsp;#-}</literal> to every strict
4893       constructor field.</para>
4894     </sect2>
4895
4896 </sect1>
4897
4898 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
4899
4900 <sect1 id="rewrite-rules">
4901 <title>Rewrite rules
4902
4903 <indexterm><primary>RULES pragma</primary></indexterm>
4904 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
4905 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
4906
4907 <para>
4908 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
4909 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can, provided (a) 
4910 the <option>-O</option> flag (<xref linkend="options-optimise"/>) is on, 
4911 and (b) the <option>-frules-off</option> flag
4912 (<xref linkend="options-f"/>) is not specified.
4913 </para>
4914
4915 <para>
4916 Here is an example:
4917
4918 <programlisting>
4919   {-# RULES
4920         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4921   #-}
4922 </programlisting>
4923
4924 </para>
4925
4926 <sect2>
4927 <title>Syntax</title>
4928
4929 <para>
4930 From a syntactic point of view:
4931
4932 <itemizedlist>
4933 <listitem>
4934
4935 <para>
4936  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
4937 </para>
4938 </listitem>
4939
4940 <listitem>
4941
4942 <para>
4943  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
4944 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
4945 </para>
4946 </listitem>
4947
4948 <listitem>
4949 <para>
4950 A rule may optionally have a phase-control number (see <xref linkend="phase-control"/>),
4951 immediately after the name of the rule.  Thus:
4952 <programlisting>
4953   {-# RULES
4954         "map/map" [2]  forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
4955   #-}
4956 </programlisting>
4957 The "[2]" means that the rule is active in Phase 2 and subsequent phases.  The inverse
4958 notation "[~2]" is also accepted, meaning that the rule is active up to, but not including,
4959 Phase 2.
4960 </para>
4961 </listitem>
4962
4963
4964 <listitem>
4965
4966 <para>
4967  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
4968 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
4969 enclosing definitions.
4970 </para>
4971 </listitem>
4972
4973 <listitem>
4974
4975 <para>
4976  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
4977 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
4978 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
4979 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
4980 </para>
4981 </listitem>
4982 <listitem>
4983
4984 <para>
4985  A pattern variable may optionally have a type signature.
4986 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
4987 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
4988
4989 <programlisting>
4990 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
4991               foldr k z (build g) = g k z
4992 </programlisting>
4993
4994 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
4995
4996 </para>
4997 </listitem>
4998 <listitem>
4999
5000 <para>
5001 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
5002 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
5003
5004 <programlisting>
5005 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
5006 "wrong2"   forall f.      f True = True
5007 </programlisting>
5008
5009 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
5010 in the head.
5011 </para>
5012 </listitem>
5013 <listitem>
5014
5015 <para>
5016  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
5017 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
5018 </para>
5019 </listitem>
5020 <listitem>
5021
5022 <para>
5023  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
5024 </para>
5025 </listitem>
5026
5027 </itemizedlist>
5028
5029 </para>
5030
5031 </sect2>
5032
5033 <sect2>
5034 <title>Semantics</title>
5035
5036 <para>
5037 From a semantic point of view:
5038
5039 <itemizedlist>
5040 <listitem>
5041
5042 <para>
5043 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
5044 </para>
5045 </listitem>
5046
5047 <listitem>
5048 <para>
5049  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
5050 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
5051 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
5052 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
5053 expression by substituting for the pattern variables.
5054
5055 </para>
5056 </listitem>
5057 <listitem>
5058
5059 <para>
5060  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
5061 same type.
5062
5063 </para>
5064 </listitem>
5065 <listitem>
5066
5067 <para>
5068  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
5069 of a rule have the same meaning.  That is undecidable in general, and
5070 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
5071
5072 </para>
5073 </listitem>
5074 <listitem>
5075
5076 <para>
5077  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
5078 terminating.  For example:
5079
5080 <programlisting>
5081   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
5082 </programlisting>
5083
5084 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
5085
5086 </para>
5087 </listitem>
5088 <listitem>
5089
5090 <para>
5091  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
5092
5093 </para>
5094 </listitem>
5095 <listitem>
5096 <para>
5097  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
5098 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
5099 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
5100 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
5101 necessary.  (Eta-expanding the expression can lead to laziness bugs.)
5102 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
5103 </para>
5104
5105 <para>
5106 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
5107 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
5108 types match too.  See <xref linkend="rule-spec"/> below.
5109 </para>
5110 </listitem>
5111 <listitem>
5112
5113 <para>
5114  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
5115 For example, consider:
5116
5117 <programlisting>
5118   let s = map f
5119       t = map g
5120   in
5121   s (t xs)
5122 </programlisting>
5123
5124 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
5125 will substitute for <varname>s</varname> and <varname>t</varname>, giving an expression which does match.
5126 If <varname>s</varname> or <varname>t</varname> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
5127 not be substituted, and the rule would not fire.
5128
5129 </para>
5130 </listitem>
5131 <listitem>
5132
5133 <para>
5134  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
5135 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
5136 for something you can't match against it (given the simple minded
5137 matching).  So if you write the rule
5138
5139 <programlisting>
5140         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
5141 </programlisting>
5142
5143 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
5144 It will only match something written with explicit use of ".".
5145 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
5146
5147 <programlisting>
5148 wibble f g xs
5149 </programlisting>
5150
5151 where <function>wibble</function> is defined:
5152
5153 <programlisting>
5154 wibble f g = map f . map g
5155 </programlisting>
5156
5157 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
5158
5159 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
5160 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
5161 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
5162
5163 </para>
5164 </listitem>
5165 <listitem>
5166
5167 <para>
5168  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
5169 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
5170 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
5171 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
5172 declarations.
5173 </para>
5174 </listitem>
5175
5176 </itemizedlist>
5177
5178 </para>
5179
5180 </sect2>
5181
5182 <sect2>
5183 <title>List fusion</title>
5184
5185 <para>
5186 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
5187 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
5188 intermediate list should be eliminated entirely.
5189 </para>
5190
5191 <para>
5192 The following are good producers:
5193
5194 <itemizedlist>
5195 <listitem>
5196
5197 <para>
5198  List comprehensions
5199 </para>
5200 </listitem>
5201 <listitem>
5202
5203 <para>
5204  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
5205 </para>
5206 </listitem>
5207 <listitem>
5208
5209 <para>
5210  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
5211 </para>
5212 </listitem>
5213 <listitem>
5214
5215 <para>
5216  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
5217 </para>
5218 </listitem>
5219 <listitem>
5220
5221 <para>
5222  <function>++</function>
5223 </para>
5224 </listitem>
5225
5226 <listitem>
5227 <para>
5228  <function>map</function>
5229 </para>
5230 </listitem>
5231
5232 <listitem>
5233 <para>
5234  <function>filter</function>
5235 </para>
5236 </listitem>
5237 <listitem>
5238
5239 <para>
5240  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
5241 </para>
5242 </listitem>
5243 <listitem>
5244
5245 <para>
5246  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
5247 </para>
5248 </listitem>
5249
5250 </itemizedlist>
5251
5252 </para>
5253
5254 <para>
5255 The following are good consumers:
5256
5257 <itemizedlist>
5258 <listitem>
5259
5260 <para>
5261  List comprehensions
5262 </para>
5263 </listitem>
5264 <listitem>
5265
5266 <para>
5267  <function>array</function> (on its second argument)
5268 </para>
5269 </listitem>
5270 <listitem>
5271
5272 <para>
5273  <function>length</function>
5274 </para>
5275 </listitem>
5276 <listitem>
5277
5278 <para>
5279  <function>++</function> (on its first argument)
5280 </para>
5281 </listitem>
5282
5283 <listitem>
5284 <para>
5285  <function>foldr</function>
5286 </para>
5287 </listitem>
5288
5289 <listitem>
5290 <para>
5291  <function>map</function>
5292 </para>
5293 </listitem>
5294 <listitem>
5295
5296 <para>
5297  <function>filter</function>
5298 </para>
5299 </listitem>
5300 <listitem>
5301
5302 <para>
5303  <function>concat</function>
5304 </para>
5305 </listitem>
5306 <listitem>
5307
5308 <para>
5309  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
5310 </para>
5311 </listitem>
5312 <listitem>
5313
5314 <para>
5315  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
5316 will fuse with one but not the other)
5317 </para>
5318 </listitem>
5319 <listitem>
5320
5321 <para>
5322  <function>partition</function>
5323 </para>
5324 </listitem>
5325 <listitem>
5326
5327 <para>
5328  <function>head</function>
5329 </para>
5330 </listitem>
5331 <listitem>
5332
5333 <para>
5334  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
5335 </para>
5336 </listitem>
5337 <listitem>
5338
5339 <para>
5340  <function>sequence&lowbar;</function>
5341 </para>
5342 </listitem>
5343 <listitem>
5344
5345 <para>
5346  <function>msum</function>
5347 </para>
5348 </listitem>
5349 <listitem>
5350
5351 <para>
5352  <function>sortBy</function>
5353 </para>
5354 </listitem>
5355
5356 </itemizedlist>
5357
5358 </para>
5359
5360  <para>
5361 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
5362
5363 <programlisting>
5364 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
5365 </programlisting>
5366
5367 </para>
5368
5369 <para>
5370 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
5371 a lot which are not included, please tell us.
5372 </para>
5373
5374 <para>
5375 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
5376 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
5377 </para>
5378
5379 </sect2>
5380
5381 <sect2 id="rule-spec">
5382 <title>Specialisation
5383 </title>
5384
5385 <para>
5386 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
5387 present in earlier versions of GHC.
5388 For example, suppose that:
5389
5390 <programlisting>
5391 genericLookup :: Ord a => Table a b   -> a   -> b
5392 intLookup     ::          Table Int b -> Int -> b
5393 </programlisting>
5394
5395 where <function>intLookup</function> is an implementation of
5396 <function>genericLookup</function> that works very fast for
5397 keys of type <literal>Int</literal>.  You might wish
5398 to tell GHC to use <function>intLookup</function> instead of
5399 <function>genericLookup</function> whenever the latter was called with
5400 type <literal>Table Int b -&gt; Int -&gt; b</literal>.
5401 It used to be possible to write
5402
5403 <programlisting>
5404 {-# SPECIALIZE genericLookup :: Table Int b -> Int -> b = intLookup #-}
5405 </programlisting>
5406
5407 This feature is no longer in GHC, but rewrite rules let you do the same thing:
5408
5409 <programlisting>
5410 {-# RULES "genericLookup/Int" genericLookup = intLookup #-}
5411 </programlisting>
5412
5413 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace
5414 <function>genericLookup</function> by <function>intLookup</function>
5415 <emphasis>whenever the types match</emphasis>.
5416 What is more, this rule does not need to be in the same
5417 file as <function>genericLookup</function>, unlike the
5418 <literal>SPECIALIZE</literal> pragmas which currently do (so that they
5419 have an original definition available to specialise).
5420 </para>
5421
5422 <para>It is <emphasis>Your Responsibility</emphasis> to make sure that
5423 <function>intLookup</function> really behaves as a specialised version
5424 of <function>genericLookup</function>!!!</para>
5425
5426 <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
5427 specialisation will Win Big:
5428
5429 <programlisting>
5430 toDouble :: Real a => a -> Double
5431 toDouble = fromRational . toRational
5432
5433 {-# RULES "toDouble/Int" toDouble = i2d #-}
5434 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
5435 </programlisting>
5436
5437 The <function>i2d</function> function is virtually one machine
5438 instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
5439 <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
5440 comparison.
5441 </para>
5442
5443 </sect2>
5444
5445 <sect2>
5446 <title>Controlling what's going on</title>
5447
5448 <para>
5449
5450 <itemizedlist>
5451 <listitem>
5452
5453 <para>
5454  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
5455 </para>
5456 </listitem>
5457 <listitem>
5458
5459 <para>
5460  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
5461 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
5462 </para>
5463 </listitem>
5464 <listitem>
5465
5466 <para>
5467  The definition of (say) <function>build</function> in <filename>GHC/Base.lhs</filename> looks llike this:
5468
5469 <programlisting>
5470         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
5471         {-# INLINE build #-}
5472         build g = g (:) []
5473 </programlisting>
5474
5475 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
5476 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
5477 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
5478 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
5479
5480 </para>
5481 </listitem>
5482 <listitem>
5483
5484 <para>
5485  In <filename>libraries/base/GHC/Base.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
5486 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
5487 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>GHC/List.lhs</filename>.
5488 </para>
5489 </listitem>
5490
5491 </itemizedlist>
5492
5493 </para>
5494
5495 </sect2>
5496
5497 <sect2 id="core-pragma">
5498   <title>CORE pragma</title>
5499
5500   <indexterm><primary>CORE pragma</primary></indexterm>
5501   <indexterm><primary>pragma, CORE</primary></indexterm>
5502   <indexterm><primary>core, annotation</primary></indexterm>
5503
5504 <para>
5505   The external core format supports <quote>Note</quote> annotations;
5506   the <literal>CORE</literal> pragma gives a way to specify what these
5507   should be in your Haskell source code.  Syntactically, core
5508   annotations are attached to expressions and take a Haskell string
5509   literal as an argument.  The following function definition shows an
5510   example:
5511
5512 <programlisting>
5513 f x = ({-# CORE "foo" #-} show) ({-# CORE "bar" #-} x)
5514 </programlisting>
5515
5516   Semantically, this is equivalent to:
5517
5518 <programlisting>
5519 g x = show x
5520 </programlisting>
5521 </para>
5522
5523 <para>
5524   However, when external for is generated (via
5525   <option>-fext-core</option>), there will be Notes attached to the
5526   expressions <function>show</function> and <varname>x</varname>.
5527   The core function declaration for <function>f</function> is:
5528 </para>
5529
5530 <programlisting>
5531   f :: %forall a . GHCziShow.ZCTShow a ->
5532                    a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char =
5533     \ @ a (zddShow::GHCziShow.ZCTShow a) (eta::a) ->
5534         (%note "foo"
5535          %case zddShow %of (tpl::GHCziShow.ZCTShow a)
5536            {GHCziShow.ZCDShow
5537             (tpl1::GHCziBase.Int ->
5538                    a ->
5539                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5540 r)
5541             (tpl2::a -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char)
5542             (tpl3::GHCziBase.ZMZN a ->
5543                    GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Char -> GHCziBase.ZMZN GHCziBase.Cha
5544 r) ->
5545               tpl2})
5546         (%note "foo"
5547          eta);
5548 </programlisting>
5549
5550 <para>
5551   Here, we can see that the function <function>show</function> (which
5552   has been expanded out to a case expression over the Show dictionary)
5553   has a <literal>%note</literal> attached to it, as does the
5554   expression <varname>eta</varname> (which used to be called
5555   <varname>x</varname>).
5556 </para>
5557
5558 </sect2>
5559
5560 </sect1>
5561
5562 <sect1 id="generic-classes">
5563 <title>Generic classes</title>
5564
5565     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
5566     GHC 5.02).</para>
5567
5568 <para>
5569 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
5570 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
5571 An example will give the idea:
5572 </para>
5573
5574 <programlisting>
5575   import Generics
5576
5577   class Bin a where
5578     toBin   :: a -> [Int]
5579     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
5580   
5581     toBin {| Unit |}    Unit      = []
5582     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
5583     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
5584     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
5585   
5586     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
5587     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
5588     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
5589     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
5590                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
5591 </programlisting>
5592 <para>
5593 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
5594 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
5595 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
5596 </para>
5597 <programlisting>
5598   data Unit    = Unit
5599   data a :+: b = Inl a | Inr b
5600   data a :*: b = a :*: b
5601 </programlisting>
5602 <para>
5603 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
5604 <programlisting>
5605   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
5606   instance Bin a => Bin [a]
5607 </programlisting>
5608 That is, just leave off the "where" clause.  Of course, you can put in the
5609 where clause and over-ride whichever methods you please.
5610 </para>
5611
5612     <sect2>
5613       <title> Using generics </title>
5614       <para>To use generics you need to</para>
5615       <itemizedlist>
5616         <listitem>
5617           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
5618                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
5619                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
5620                 available.  </para>
5621         </listitem>
5622         <listitem>
5623           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
5624           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
5625           scope the data types <literal>Unit</literal>,
5626           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
5627           don't need this import if you don't mention these types
5628           explicitly; for example, if you are simply giving instance
5629           declarations.)</para>
5630         </listitem>
5631       </itemizedlist>
5632     </sect2>
5633
5634 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
5635 <para>
5636 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
5637 can be written infix (indeed, you can now use
5638 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
5639 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
5640 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
5641 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
5642 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
5643 anticipate wanting).
5644 </para>
5645 </sect2>
5646
5647 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
5648 <para>
5649 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
5650 is one that is defined using type patterns as above.
5651 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
5652 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
5653 generic default method.
5654 </para>
5655
5656 <para>
5657 Restrictions:
5658 <itemizedlist>
5659 <listitem>
5660 <para>
5661 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
5662 field labels.
5663 </para>
5664 </listitem>
5665
5666 <listitem>
5667 <para>
5668 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
5669 multi-parameter class.
5670 </para>
5671 </listitem>
5672
5673 <listitem>
5674 <para>
5675 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
5676 without.  So this is illegal:
5677 <programlisting>
5678   class Foo a where
5679     op :: a -> (a, Bool)
5680     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
5681     op x               = (x,    False)
5682 </programlisting>
5683 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
5684 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
5685 </para>
5686 </listitem>
5687
5688 <listitem>
5689 <para>
5690 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
5691 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:
5692 <programlisting>
5693   class Foo a where
5694     op :: a -> Bool
5695     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
5696     ...
5697 </programlisting>
5698 </para>
5699 </listitem>
5700
5701 <listitem>
5702 <para>
5703 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
5704 <programlisting>
5705        a :+: b
5706        a :*: b
5707        Unit
5708 </programlisting>
5709 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
5710 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
5711 must use the same type variables.  So this is illegal:
5712 <programlisting>
5713   class Foo a where
5714     op :: a -> Bool
5715     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
5716     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
5717 </programlisting>
5718 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
5719 So this too is illegal:
5720 <programlisting>
5721   class Foo a where
5722     op1 :: a -> Bool
5723     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
5724
5725     op2 :: a -> Bool
5726     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
5727 </programlisting>
5728 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
5729 into a single generic instance declaration.)
5730 </para>
5731 </listitem>
5732
5733 <listitem>
5734 <para>
5735 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
5736 </para>
5737 </listitem>
5738
5739 <listitem>
5740 <para>
5741 The type for a generic method can be built only from:
5742   <itemizedlist>
5743   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
5744   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
5745   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
5746   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
5747   </itemizedlist>
5748 Here are some example type signatures for generic methods:
5749 <programlisting>
5750     op1 :: a -> Bool
5751     op2 :: Bool -> (a,Bool)
5752     op3 :: [Int] -> a -> a
5753     op4 :: [a] -> Bool
5754 </programlisting>
5755 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
5756 inside a list.  
5757 </para>
5758 <para>
5759 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
5760 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
5761 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
5762 to the ones that are allowed.</para>
5763 </listitem>
5764
5765 <listitem>
5766 <para>
5767 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
5768 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
5769 do so if
5770   <itemizedlist>
5771   <listitem>
5772   <para>
5773   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
5774   </para>
5775   </listitem>
5776   <listitem>
5777   <para>
5778   No constructor of the instance type has unboxed fields.
5779   </para>
5780   </listitem>
5781   </itemizedlist>
5782 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
5783 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
5784 provided you give explicit code to override any generic default methods.
5785 </para>
5786 </listitem>
5787
5788 </itemizedlist>
5789 </para>
5790
5791 <para>
5792 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
5793 what the compiler does with generic declarations.
5794 </para>
5795
5796 </sect2>
5797
5798 <sect2> <title> Another example </title>
5799 <para>
5800 Just to finish with, here's another example I rather like:
5801 <programlisting>
5802   class Tag a where
5803     nCons :: a -> Int
5804     nCons {| Unit |}    _ = 1
5805     nCons {| a :*: b |} _ = 1
5806     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
5807   
5808     tag :: a -> Int
5809     tag {| Unit |}    _       = 1
5810     tag {| a :*: b |} _       = 1   
5811     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
5812     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
5813 </programlisting>
5814 </para>
5815 </sect2>
5816 </sect1>
5817
5818
5819
5820 <!-- Emacs stuff:
5821      ;;; Local Variables: ***
5822      ;;; mode: xml ***
5823      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.xml" "book" "chapter" "sect1") ***
5824      ;;; End: ***
5825  -->
5826