[project @ 2004-03-17 10:12:31 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
3 %
4 \section[TcSimplify]{TcSimplify}
5
6
7
8 \begin{code}
9 module TcSimplify (
10         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
11         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
12         tcSimplifyToDicts, tcSimplifyIPs, 
13         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
14         tcSimplifyBracket,
15
16         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
17         bindInstsOfLocalFuns
18     ) where
19
20 #include "HsVersions.h"
21
22 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyTauTy )
23 import TcEnv            -- temp
24 import HsSyn            ( HsBind(..), LHsBinds, HsExpr(..), LHsExpr, pprLHsBinds )
25 import TcHsSyn          ( TcId, TcDictBinds, mkHsApp, mkHsTyApp, mkHsDictApp )
26
27 import TcRnMonad
28 import Inst             ( lookupInst, LookupInstResult(..),
29                           tyVarsOfInst, fdPredsOfInsts, fdPredsOfInst, newDicts,
30                           isDict, isClassDict, isLinearInst, linearInstType,
31                           isStdClassTyVarDict, isMethodFor, isMethod,
32                           instToId, tyVarsOfInsts,  cloneDict,
33                           ipNamesOfInsts, ipNamesOfInst, dictPred,
34                           instBindingRequired,
35                           newDictsFromOld, tcInstClassOp,
36                           getDictClassTys, isTyVarDict,
37                           instLoc, zonkInst, tidyInsts, tidyMoreInsts,
38                           Inst, pprInsts, pprDictsInFull, pprInstInFull, tcGetInstEnvs,
39                           isIPDict, isInheritableInst, pprDFuns, pprDictsTheta
40                         )
41 import TcEnv            ( tcGetGlobalTyVars, tcLookupId, findGlobals )
42 import InstEnv          ( lookupInstEnv, classInstEnv )
43 import TcMType          ( zonkTcTyVarsAndFV, tcInstTyVars, checkAmbiguity )
44 import TcType           ( TcTyVar, TcTyVarSet, ThetaType, TyVarDetails(VanillaTv),
45                           mkClassPred, isOverloadedTy, mkTyConApp,
46                           mkTyVarTy, tcGetTyVar, isTyVarClassPred, mkTyVarTys,
47                           tyVarsOfPred, tcEqType, pprPred )
48 import Id               ( idType, mkUserLocal )
49 import Var              ( TyVar )
50 import Name             ( getOccName, getSrcLoc )
51 import NameSet          ( NameSet, mkNameSet, elemNameSet )
52 import Class            ( classBigSig, classKey )
53 import FunDeps          ( oclose, grow, improve, pprEquationDoc )
54 import PrelInfo         ( isNumericClass ) 
55 import PrelNames        ( splitName, fstName, sndName, integerTyConName,
56                           showClassKey, eqClassKey, ordClassKey )
57 import Subst            ( mkTopTyVarSubst, substTheta, substTy )
58 import TysWiredIn       ( pairTyCon, doubleTy )
59 import ErrUtils         ( Message )
60 import VarSet
61 import VarEnv           ( TidyEnv )
62 import FiniteMap
63 import Bag
64 import Outputable
65 import ListSetOps       ( equivClasses )
66 import Util             ( zipEqual, isSingleton )
67 import List             ( partition )
68 import SrcLoc           ( Located(..) )
69 import CmdLineOpts
70 \end{code}
71
72
73 %************************************************************************
74 %*                                                                      *
75 \subsection{NOTES}
76 %*                                                                      *
77 %************************************************************************
78
79         --------------------------------------
80         Notes on functional dependencies (a bug)
81         --------------------------------------
82
83 | > class Foo a b | a->b
84 | >
85 | > class Bar a b | a->b
86 | >
87 | > data Obj = Obj
88 | >
89 | > instance Bar Obj Obj
90 | >
91 | > instance (Bar a b) => Foo a b
92 | >
93 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
94 | > foo _ = "works"
95 | >
96 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
97 | > runFoo f = f Obj
98
99 | *Test> runFoo foo
100
101 | <interactive>:1:
102 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
103 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
104 |     Probable fix:
105 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
106 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
107 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
108
109 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
110 | function foo didn't ask for that... 
111
112 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
113
114         Given constraint        Foo a b
115         Solve constraint        Foo a b'
116
117 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
118 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
119         simplify constraints
120         apply improvement
121         and loop
122
123 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
124 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
125 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
126 from.
127
128 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
129 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
130
131
132
133         --------------------------------------
134                 Notes on quantification
135         --------------------------------------
136
137 Suppose we are about to do a generalisation step.
138 We have in our hand
139
140         G       the environment
141         T       the type of the RHS
142         C       the constraints from that RHS
143
144 The game is to figure out
145
146         Q       the set of type variables over which to quantify
147         Ct      the constraints we will *not* quantify over
148         Cq      the constraints we will quantify over
149
150 So we're going to infer the type
151
152         forall Q. Cq => T
153
154 and float the constraints Ct further outwards.
155
156 Here are the things that *must* be true:
157
158  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
159  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
160
161 (A) says we can't quantify over a variable that's free in the
162 environment.  (B) says we must quantify over all the truly free
163 variables in T, else we won't get a sufficiently general type.  We do
164 not *need* to quantify over any variable that is fixed by the free
165 vars of the environment G.
166
167         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
168
169 Example:        class H x y | x->y where ...
170
171         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
172                         T = c -> b
173
174         (A)  Q intersect {a} is empty
175         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
176
177         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
178
179 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
180 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
181 constraints can get into Ct instead of Cq.
182
183
184 -----------------------------------------
185 We will make use of
186
187   fv(T)         the free type vars of T
188
189   oclose(vs,C)  The result of extending the set of tyvars vs
190                 using the functional dependencies from C
191
192   grow(vs,C)    The result of extend the set of tyvars vs
193                 using all conceivable links from C.
194
195                 E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
196                 Then grow(vs,C) = {a,b,c}
197
198                 Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
199                 That is, simplfication can only shrink the result of grow.
200
201 Notice that
202    oclose is conservative one way:      v `elem` oclose(vs,C) => v is definitely fixed by vs
203    grow is conservative the other way:  if v might be fixed by vs => v `elem` grow(vs,C)
204
205
206 -----------------------------------------
207
208 Choosing Q
209 ~~~~~~~~~~
210 Here's a good way to choose Q:
211
212         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
213
214 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
215 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
216 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
217 albeit perhaps too many.
218
219 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
220
221         class H x y | x->y where ...
222
223         T = c->c
224         C = (H c d)
225
226   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
227
228         forall c. H c d => c -> b
229
230   And then if the fn was called at several different c's, each of
231   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
232   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
233   everything that might be influenced by c.
234
235 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
236 all the functional dependencies yet:
237
238         class H x y | x->y where ...
239         instance H x y => Eq (T x y) where ...
240
241         T = c->c
242         C = (Eq (T c d))
243
244   Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
245   apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
246
247
248 There really isn't any point in quantifying over any more than
249 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
250 any other type variables.
251
252
253
254         --------------------------------------
255                 Notes on ambiguity
256         --------------------------------------
257
258 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
259
260         class K x
261         class H x y | x -> y
262         instance H x y => K (x,y)
263
264 Is this type ambiguous?
265         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
266
267 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
268 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
269 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
270 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
271
272 Here's another example: is this ambiguous?
273         forall a b. Eq (T b) => a -> a
274 Not if there's an insance decl (with no context)
275         instance Eq (T b) where ...
276
277 You may say of this example that we should use the instance decl right
278 away, but you can't always do that:
279
280         class J a b where ...
281         instance J Int b where ...
282
283         f :: forall a b. J a b => a -> a
284
285 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
286 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
287 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
288 when inferring a type for f.
289
290
291
292 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
293 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
294 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
295
296 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
297
298         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
299
300 (all tested before quantification).
301 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
302 in the environment, or by the variables in the type.
303
304 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
305
306         class J a b c | a b -> c
307         fv(G) = {a}
308
309 Is this ambiguous?
310         forall b c. (J a b c) => b -> b
311
312 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
313 do we see that c is fixed.
314
315 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
316 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
317 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
318 only issue a warning.
319
320
321 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
322
323         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
324
325 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
326 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
327 the nasty example?
328
329         class K x
330         class H x y | x -> y
331         instance H x y => K (x,y)
332
333 Is this type ambiguous?
334         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
335
336 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
337 is a "bubble" that's a set of constraints
338
339         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
340
341 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
342 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
343 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
344 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
345 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
346
347
348         --------------------------------------
349                 Notes on principal types
350         --------------------------------------
351
352     class C a where
353       op :: a -> a
354
355     f x = let g y = op (y::Int) in True
356
357 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
358 but we'll produce the non-principal type
359     f :: forall a. C Int => a -> a
360
361
362         --------------------------------------
363         The need for forall's in constraints
364         --------------------------------------
365
366 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
367
368   class C t where op :: t -> Bool
369   instance C [t] where op x = True
370
371   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
372   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
373
374 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
375 the pair on their right-hand sides.  And yet:
376
377   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
378   Hugs rejects q, but accepts p;
379   hbc rejects both p and q;
380   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
381
382 The type signature for f forces context reduction to take place, and
383 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
384 which in turn depends on which component of the pair the type checker
385 analyzes first.  
386
387 Solution: if y::m a, float out the constraints
388         Monad m, forall c. C (m c)
389 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
390
391
392         --------------------------------------
393                 Notes on implicit parameters
394         --------------------------------------
395
396 Question 1: can we "inherit" implicit parameters
397 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
398 Consider this:
399
400         f x = (x::Int) + ?y
401
402 where f is *not* a top-level binding.
403 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
404 There are two types we might infer for f:
405
406         f :: Int -> Int
407
408 (so we get ?y from the context of f's definition), or
409
410         f :: (?y::Int) => Int -> Int
411
412 At first you might think the first was better, becuase then
413 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
414 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
415 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
416 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
417
418 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
419 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
420
421
422 Question 2: type signatures
423 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
424 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
425 to quantify over implicit parameters.  For example:
426
427         (?x + 1) :: Int
428
429 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
430
431         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
432
433 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
434 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
435 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
436 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
437
438 What about when you supply a type signature for a binding?
439 Is it legal to give the following explicit, user type 
440 signature to f, thus:
441
442         f :: Int -> Int
443         f x = (x::Int) + ?y
444
445 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
446 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
447 Consider this:
448
449         (let f x = (x::Int) + ?y
450          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
451
452                 returns (3+6, 3+5)
453 vs
454         (let f :: Int -> Int
455              f x = x + ?y
456          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
457
458                 returns (3+6, 3+6)
459
460 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
461 dynamic semantics.
462
463 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
464 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
465 change the typing you may change the semantics.
466
467 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
468 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
469 rule: 
470
471         a signature does not need to quantify over implicit params.
472
473 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
474 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
475 params for the reasons mentioned above.]
476
477 But that raises a new question.  Consider 
478
479         Given (signature)       ?x::Int
480         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
481
482 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
483 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
484 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
485 to float a constraint that
486         neither mentions any of the quantified type variables
487         nor any of the quantified implicit parameters
488
489 See the predicate isFreeWhenChecking.
490
491
492 Question 3: monomorphism
493 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
494 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
495
496         z = (x::Int) + ?y
497
498 The argument above suggests that we *must* generalise
499 over the ?y parameter, to get
500         z :: (?y::Int) => Int,
501 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
502         z :: Int.
503 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
504
505         let z = x + ?y in z+z
506
507 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
508 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
509
510
511
512 Possible choices
513 ~~~~~~~~~~~~~~~~
514 (A) Always generalise over implicit parameters
515     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
516         be generalised
517
518     Consequences:
519         * Inlining remains valid
520         * No unexpected loss of sharing
521         * But simple bindings like
522                 z = ?y + 1
523           will be rejected, unless you add an explicit type signature
524           (to avoid the monomorphism restriction)
525                 z :: (?y::Int) => Int
526                 z = ?y + 1
527           This seems unacceptable
528
529 (B) Monomorphism restriction "wins"
530     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
531         be generalised
532     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
533         that fall under the monomorphism restriction
534
535     Consequences
536         * Inlining isn't valid in general
537         * No unexpected loss of sharing
538         * Simple bindings like
539                 z = ?y + 1
540           accepted (get value of ?y from binding site)
541
542 (C) Always generalise over implicit parameters
543     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
544         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
545     Consequences
546         * Inlining remains valid
547         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
548         * Simple bindings like
549                 z = ?y + 1
550           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
551
552
553 Discussion
554 ~~~~~~~~~~
555 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
556 decide which we want to do.
557
558 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
559
560         z = (x::Int) + ?y
561
562 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
563 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
564 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
565 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
566 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
567 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
568
569 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
570 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
571 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
572 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
573 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
574 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
575 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
576 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
577 restriction altogether.
578
579 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
580
581
582
583 %************************************************************************
584 %*                                                                      *
585 \subsection{tcSimplifyInfer}
586 %*                                                                      *
587 %************************************************************************
588
589 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
590
591     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
592
593     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
594        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
595
596     3. Try improvement, using functional dependencies
597
598     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
599        (Unification can change the result of 'grow'.)
600
601 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
602 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
603 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
604 type variables than we absolutely have to.
605
606 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
607 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
608
609         class C x y | x->y where ...
610
611 and tcSimplify is called with:
612         (C Int a, C Int b)
613 Then improvement unifies a with b, giving
614         (C Int a, C Int a)
615
616 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
617 again.
618
619
620 \begin{code}
621 tcSimplifyInfer
622         :: SDoc
623         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
624         -> [Inst]               -- Wanted
625         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
626                 TcDictBinds,    -- Bindings
627                 [TcId])         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
628         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
629 \end{code}
630
631
632 \begin{code}
633 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted_lie
634   = inferLoop doc (varSetElems tau_tvs)
635               wanted_lie                `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
636
637     extendLIEs frees                                                    `thenM_`
638     returnM (qtvs, binds, map instToId irreds)
639
640 inferLoop doc tau_tvs wanteds
641   =     -- Step 1
642     zonkTcTyVarsAndFV tau_tvs           `thenM` \ tau_tvs' ->
643     mappM zonkInst wanteds              `thenM` \ wanteds' ->
644     tcGetGlobalTyVars                   `thenM` \ gbl_tvs ->
645     let
646         preds = fdPredsOfInsts wanteds'
647         qtvs  = grow preds tau_tvs' `minusVarSet` oclose preds gbl_tvs
648
649         try_me inst
650           | isFreeWhenInferring qtvs inst = Free
651           | isClassDict inst              = DontReduceUnlessConstant    -- Dicts
652           | otherwise                     = ReduceMe                    -- Lits and Methods
653     in
654     traceTc (text "infloop" <+> vcat [ppr tau_tvs', ppr wanteds', ppr preds, ppr (grow preds tau_tvs'), ppr qtvs])      `thenM_`
655                 -- Step 2
656     reduceContext doc try_me [] wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
657
658                 -- Step 3
659     if no_improvement then
660         returnM (varSetElems qtvs, frees, binds, irreds)
661     else
662         -- If improvement did some unification, we go round again.  There
663         -- are two subtleties:
664         --   a) We start again with irreds, not wanteds
665         --      Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
666         --      which might have been unified, so we'd get an infinite loop
667         --      if we started again with wanteds!  See example [LOOP]
668         --
669         --   b) It's also essential to re-process frees, because unification
670         --      might mean that a type variable that looked free isn't now.
671         --
672         -- Hence the (irreds ++ frees)
673
674         -- However, NOTICE that when we are done, we might have some bindings, but
675         -- the final qtvs might be empty.  See [NO TYVARS] below.
676                                 
677         inferLoop doc tau_tvs (irreds ++ frees) `thenM` \ (qtvs1, frees1, binds1, irreds1) ->
678         returnM (qtvs1, frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
679 \end{code}
680
681 Example [LOOP]
682
683         class If b t e r | b t e -> r
684         instance If T t e t
685         instance If F t e e
686         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
687         instance Lte Z b T
688         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
689
690 Wanted: Max Z (S x) y
691
692 Then we'll reduce using the Max instance to:
693         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
694 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
695 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
696 with (Max Z (S x) y)!
697
698 [NO TYVARS]
699
700         class Y a b | a -> b where
701             y :: a -> X b
702         
703         instance Y [[a]] a where
704             y ((x:_):_) = X x
705         
706         k :: X a -> X a -> X a
707
708         g :: Num a => [X a] -> [X a]
709         g xs = h xs
710             where
711             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
712
713 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
714 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
715 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
716 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
717 polymorphic in.  
718
719 The net effect of [NO TYVARS] 
720
721 \begin{code}
722 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
723 isFreeWhenInferring qtvs inst
724   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst          -- Constrains no quantified vars
725   && isInheritableInst inst             -- And no implicit parameter involved
726                                         -- (see "Notes on implicit parameters")
727
728 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
729                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
730                    -> Inst -> Bool
731 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
732   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
733   && isFreeWrtIPs    ips inst
734
735 isFreeWrtTyVars qtvs inst = not (tyVarsOfInst inst `intersectsVarSet` qtvs)
736 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
737 \end{code}
738
739
740 %************************************************************************
741 %*                                                                      *
742 \subsection{tcSimplifyCheck}
743 %*                                                                      *
744 %************************************************************************
745
746 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
747 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
748
749 \begin{code}
750 tcSimplifyCheck
751          :: SDoc
752          -> [TcTyVar]           -- Quantify over these
753          -> [Inst]              -- Given
754          -> [Inst]              -- Wanted
755          -> TcM TcDictBinds     -- Bindings
756
757 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
758 -- class decls, instance decls etc.
759 --
760 -- NB: tcSimplifyCheck does not consult the
761 --      global type variables in the environment; so you don't
762 --      need to worry about setting them before calling tcSimplifyCheck
763 tcSimplifyCheck doc qtvs givens wanted_lie
764   = tcSimplCheck doc get_qtvs
765                  givens wanted_lie      `thenM` \ (qtvs', binds) ->
766     returnM binds
767   where
768     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV qtvs
769
770
771 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
772 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
773 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
774 tcSimplifyInferCheck
775          :: SDoc
776          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
777          -> [Inst]              -- Given
778          -> [Inst]              -- Wanted
779          -> TcM ([TcTyVar],     -- Variables over which to quantify
780                  TcDictBinds)   -- Bindings
781
782 tcSimplifyInferCheck doc tau_tvs givens wanted_lie
783   = tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
784   where
785         -- Figure out which type variables to quantify over
786         -- You might think it should just be the signature tyvars,
787         -- but in bizarre cases you can get extra ones
788         --      f :: forall a. Num a => a -> a
789         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
790         --      g a b = (b,a)
791         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
792         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
793         -- f isn't quantified over b.
794     all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
795
796     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV all_tvs        `thenM` \ all_tvs' ->
797                tcGetGlobalTyVars                `thenM` \ gbl_tvs ->
798                let
799                   qtvs = all_tvs' `minusVarSet` gbl_tvs
800                         -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
801                         -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
802                         -- dictionaries, we quantify over
803                in
804                returnM qtvs
805 \end{code}
806
807 Here is the workhorse function for all three wrappers.
808
809 \begin{code}
810 tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
811   = check_loop givens wanted_lie        `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
812
813         -- Complain about any irreducible ones
814     mappM zonkInst given_dicts_and_ips                          `thenM` \ givens' ->
815     groupErrs (addNoInstanceErrs (Just doc) givens') irreds     `thenM_`
816
817         -- Done
818     extendLIEs frees            `thenM_`
819     returnM (qtvs, binds)
820
821   where
822     given_dicts_and_ips = filter (not . isMethod) givens
823         -- For error reporting, filter out methods, which are 
824         -- only added to the given set as an optimisation
825
826     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts givens)
827
828     check_loop givens wanteds
829       =         -- Step 1
830         mappM zonkInst givens   `thenM` \ givens' ->
831         mappM zonkInst wanteds  `thenM` \ wanteds' ->
832         get_qtvs                `thenM` \ qtvs' ->
833
834                     -- Step 2
835         let
836             -- When checking against a given signature we always reduce
837             -- until we find a match against something given, or can't reduce
838             try_me inst | isFreeWhenChecking qtvs' ip_set inst = Free
839                         | otherwise                            = ReduceMe
840         in
841         reduceContext doc try_me givens' wanteds'       `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
842
843                     -- Step 3
844         if no_improvement then
845             returnM (varSetElems qtvs', frees, binds, irreds)
846         else
847             check_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (qtvs', frees1, binds1, irreds1) ->
848             returnM (qtvs', frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
849 \end{code}
850
851
852 %************************************************************************
853 %*                                                                      *
854 \subsection{tcSimplifyRestricted}
855 %*                                                                      *
856 %************************************************************************
857
858 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
859 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
860
861 Eg1:    id = \x -> x
862         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
863         
864 Eg2:    eq = (==)
865         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
866         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
867
868 So, assume:
869         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
870         RHS has constraints 'wanteds'
871
872 Plan A (simple)
873   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
874   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
875   where we have         instance Monad (ST s) where...
876   so there's no need to be monomorphic in s!
877
878   Also the constraint might be a method constraint,
879   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
880           op :: Num a => a -> b -> a
881   Here, b is unconstrained.  A good example would be
882         foo = op (3::Int)
883   We want to infer the polymorphic type
884         foo :: forall b. b -> b
885
886
887 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
888   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
889   with Plan A's problem).  Then set
890         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
891
892   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
893   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
894   The reasons for this is to maximise sharing.
895
896   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
897   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
898   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
899   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
900   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
901   constraint mentioning 'b' from being simplified... and that in turn
902   breaks the invariant that no constraints are quantified over.
903
904   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
905   the problem.
906
907
908 Plan C (brutal)
909   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
910   with Plan A's problem).  Then set
911         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
912   Return the bindings from Step 1.
913   
914
915
916 \begin{code}
917 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
918                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
919         :: SDoc
920         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
921         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
922         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
923                 TcDictBinds)    -- Bindings
924         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
925         -- quantify over; by definition there are none.
926         -- They are all thrown back in the LIE
927
928 tcSimplifyRestricted doc tau_tvs wanteds
929         -- 'reduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
930         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
931         -- variables as possible, and we don't want to stop
932         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
933         -- immediately, with no constraint on s.
934   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
935     ASSERT( null frees )
936
937         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
938     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)     `thenM` \ tau_tvs' ->
939     tcGetGlobalTyVars                           `thenM` \ gbl_tvs ->
940     let
941         constrained_tvs = tyVarsOfInsts irreds
942         qtvs = (tau_tvs' `minusVarSet` constrained_tvs)
943                          `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts irreds) gbl_tvs
944                 -- The second minusVarSet arranges not to quantify over
945                 -- any tyvars that are functionally determined by ones in
946                 -- the environment
947     in
948     traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
949                 pprInsts wanteds, pprInsts frees, pprInsts irreds,
950                 pprLHsBinds binds,
951                 ppr constrained_tvs, ppr tau_tvs', ppr qtvs ])  `thenM_`
952
953     extendLIEs irreds                                           `thenM_`
954     returnM (varSetElems qtvs, binds)
955 \end{code}
956
957
958 %************************************************************************
959 %*                                                                      *
960 \subsection{tcSimplifyToDicts}
961 %*                                                                      *
962 %************************************************************************
963
964 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
965 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
966 as the available stuff for the RHS of the rule.
967
968 The same thing is used for specialise pragmas. Consider
969
970         f :: Num a => a -> a
971         {-# SPECIALISE f :: Int -> Int #-}
972         f = ...
973
974 The type checker generates a binding like:
975
976         f_spec = (f :: Int -> Int)
977
978 and we want to end up with
979
980         f_spec = _inline_me_ (f Int dNumInt)
981
982 But that means that we must simplify the Method for f to (f Int dNumInt)!
983 So tcSimplifyToDicts squeezes out all Methods.
984
985 IMPORTANT NOTE:  we *don't* want to do superclass commoning up.  Consider
986
987         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
988         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
989
990 Here, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But we *dont*
991 want to get
992
993         forall dIntegralInt.
994         fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
995
996 because the scsel will mess up matching.  Instead we want
997
998         forall dIntegralInt, dNumInt.
999         fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1000
1001 Hence "DontReduce NoSCs"
1002
1003 \begin{code}
1004 tcSimplifyToDicts :: [Inst] -> TcM (TcDictBinds)
1005 tcSimplifyToDicts wanteds
1006   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1007         -- Since try_me doesn't look at types, we don't need to
1008         -- do any zonking, so it's safe to call reduceContext directly
1009     ASSERT( null frees )
1010     extendLIEs irreds           `thenM_`
1011     returnM binds
1012
1013   where
1014     doc = text "tcSimplifyToDicts"
1015
1016         -- Reduce methods and lits only; stop as soon as we get a dictionary
1017     try_me inst | isDict inst = DontReduce NoSCs        -- See notes above for why NoSCs
1018                 | otherwise   = ReduceMe
1019 \end{code}
1020
1021
1022
1023 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1024 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1025 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1026 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1027 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1028 this bracket again at its usage site.
1029
1030 \begin{code}
1031 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1032 tcSimplifyBracket wanteds
1033   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM_`
1034     returnM ()
1035   where
1036     doc = text "tcSimplifyBracket"
1037 \end{code}
1038
1039
1040 %************************************************************************
1041 %*                                                                      *
1042 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1043 %*                                                                      *
1044 %************************************************************************
1045
1046 When we have
1047         let ?x = R in B
1048
1049 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1050 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1051
1052 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1053
1054         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1055         let ?x = 3 in f 'c'
1056
1057 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1058 force the binding for ?x to be of type Int.
1059
1060 \begin{code}
1061 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1062               -> [Inst]         -- Wanted
1063               -> TcM TcDictBinds
1064 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1065   = simpl_loop given_ips wanteds        `thenM` \ (frees, binds) ->
1066     extendLIEs frees                    `thenM_`
1067     returnM binds
1068   where
1069     doc      = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1070     ip_set   = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1071
1072         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1073     try_me inst | isFreeWrtIPs ip_set inst = Free
1074                 | otherwise                = ReduceMe
1075
1076     simpl_loop givens wanteds
1077       = mappM zonkInst givens           `thenM` \ givens' ->
1078         mappM zonkInst wanteds          `thenM` \ wanteds' ->
1079
1080         reduceContext doc try_me givens' wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1081
1082         if no_improvement then
1083             ASSERT( null irreds )
1084             returnM (frees, binds)
1085         else
1086             simpl_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (frees1, binds1) ->
1087             returnM (frees1, binds `unionBags` binds1)
1088 \end{code}
1089
1090
1091 %************************************************************************
1092 %*                                                                      *
1093 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1094 %*                                                                      *
1095 %************************************************************************
1096
1097 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1098 For example, we might have...
1099 \begin{verbatim}
1100 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1101     f.1 = f Int     -- two instances of f
1102     f.2 = f Float
1103  in
1104     (f.1 5, f.2 6.7)
1105 \end{verbatim}
1106 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1107 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1108 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1109 there, they would have unresolvable references to @f@.
1110
1111 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1112 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1113 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1114 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1115
1116 \begin{code}
1117 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM (LHsBinds TcId)
1118
1119 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1120   | null overloaded_ids
1121         -- Common case
1122   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1123     returnM emptyBag
1124
1125   | otherwise
1126   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1127     ASSERT( null irreds )
1128     extendLIEs frees            `thenM_`
1129     returnM binds
1130   where
1131     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1132     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1133     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1134
1135     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1136                                                 -- so it's worth building a set, so that
1137                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1138
1139     try_me inst | isMethodFor overloaded_set inst = ReduceMe
1140                 | otherwise                       = Free
1141 \end{code}
1142
1143
1144 %************************************************************************
1145 %*                                                                      *
1146 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1147 %*                                                                      *
1148 %************************************************************************
1149
1150 The main control over context reduction is here
1151
1152 \begin{code}
1153 data WhatToDo
1154  = ReduceMe             -- Try to reduce this
1155                         -- If there's no instance, behave exactly like
1156                         -- DontReduce: add the inst to
1157                         -- the irreductible ones, but don't
1158                         -- produce an error message of any kind.
1159                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1160
1161  | DontReduce WantSCs           -- Return as irreducible
1162
1163  | DontReduceUnlessConstant     -- Return as irreducible unless it can
1164                                 -- be reduced to a constant in one step
1165
1166  | Free                   -- Return as free
1167
1168 reduceMe :: Inst -> WhatToDo
1169 reduceMe inst = ReduceMe
1170
1171 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1172                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1173 \end{code}
1174
1175
1176
1177 \begin{code}
1178 type Avails = FiniteMap Inst Avail
1179
1180 data Avail
1181   = IsFree              -- Used for free Insts
1182   | Irred               -- Used for irreducible dictionaries,
1183                         -- which are going to be lambda bound
1184
1185   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
1186                         -- e.g. those "given" in a signature
1187           Bool          -- True <=> actually consumed (splittable IPs only)
1188
1189   | NoRhs               -- Used for Insts like (CCallable f)
1190                         -- where no witness is required.
1191                         -- ToDo: remove?
1192
1193   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
1194         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
1195         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
1196
1197   | Linear              -- Splittable Insts only.
1198         Int             -- The Int is always 2 or more; indicates how
1199                         -- many copies are required
1200         Inst            -- The splitter
1201         Avail           -- Where the "master copy" is
1202
1203   | LinRhss             -- Splittable Insts only; this is used only internally
1204                         --      by extractResults, where a Linear 
1205                         --      is turned into an LinRhss
1206         [LHsExpr TcId]  -- A supply of suitable RHSs
1207
1208 pprAvails avails = vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> pprAvail avail)]
1209                         | (inst,avail) <- fmToList avails ]
1210
1211 instance Outputable Avail where
1212     ppr = pprAvail
1213
1214 pprAvail NoRhs          = text "<no rhs>"
1215 pprAvail IsFree         = text "Free"
1216 pprAvail Irred          = text "Irred"
1217 pprAvail (Given x b)    = text "Given" <+> ppr x <+> 
1218                           if b then text "(used)" else empty
1219 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> ppr rhs <+> braces (ppr bs)
1220 pprAvail (Linear n i a) = text "Linear" <+> ppr n <+> braces (ppr i) <+> ppr a
1221 pprAvail (LinRhss rhss) = text "LinRhss" <+> ppr rhss
1222 \end{code}
1223
1224 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
1225 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
1226 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
1227 dependency analyser can sort them out later
1228
1229 The loop startes
1230 \begin{code}
1231 extractResults :: Avails
1232                -> [Inst]                -- Wanted
1233                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
1234                         [Inst],         -- Irreducible ones
1235                         [Inst])         -- Free ones
1236
1237 extractResults avails wanteds
1238   = go avails emptyBag [] [] wanteds
1239   where
1240     go avails binds irreds frees [] 
1241       = returnM (binds, irreds, frees)
1242
1243     go avails binds irreds frees (w:ws)
1244       = case lookupFM avails w of
1245           Nothing    -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
1246                         go avails binds irreds frees ws
1247
1248           Just NoRhs  -> go avails               binds irreds     frees     ws
1249           Just IsFree -> go (add_free avails w)  binds irreds     (w:frees) ws
1250           Just Irred  -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) frees     ws
1251
1252           Just (Given id _) -> go avails new_binds irreds frees ws
1253                             where
1254                                new_binds | id == instToId w = binds
1255                                          | otherwise        = addBind binds w (L (instSpan w) (HsVar id))
1256                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
1257                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
1258
1259           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds frees (ws' ++ ws)
1260                              where
1261                                 new_binds = addBind binds w rhs
1262
1263           Just (Linear n split_inst avail)      -- Transform Linear --> LinRhss
1264             -> get_root irreds frees avail w            `thenM` \ (irreds', frees', root_id) ->
1265                split n (instToId split_inst) root_id w  `thenM` \ (binds', rhss) ->
1266                go (addToFM avails w (LinRhss rhss))
1267                   (binds `unionBags` binds')
1268                   irreds' frees' (split_inst : w : ws)
1269
1270           Just (LinRhss (rhs:rhss))             -- Consume one of the Rhss
1271                 -> go new_avails new_binds irreds frees ws
1272                 where           
1273                    new_binds  = addBind binds w rhs
1274                    new_avails = addToFM avails w (LinRhss rhss)
1275
1276     get_root irreds frees (Given id _) w = returnM (irreds, frees, id)
1277     get_root irreds frees Irred        w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1278                                            returnM (w':irreds, frees, instToId w')
1279     get_root irreds frees IsFree       w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1280                                            returnM (irreds, w':frees, instToId w')
1281
1282     add_given avails w 
1283         | instBindingRequired w = addToFM avails w (Given (instToId w) True)
1284         | otherwise             = addToFM avails w NoRhs
1285         -- NB: make sure that CCallable/CReturnable use NoRhs rather
1286         --      than Given, else we end up with bogus bindings.
1287
1288     add_free avails w | isMethod w = avails
1289                       | otherwise  = add_given avails w
1290         -- NB: Hack alert!  
1291         -- Do *not* replace Free by Given if it's a method.
1292         -- The following situation shows why this is bad:
1293         --      truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
1294         -- From an application (truncate f i) we get
1295         --      t1 = truncate at f
1296         --      t2 = t1 at i
1297         -- If we have also have a second occurrence of truncate, we get
1298         --      t3 = truncate at f
1299         --      t4 = t3 at i
1300         -- When simplifying with i,f free, we might still notice that
1301         --   t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
1302         --   will continue to float out!
1303         -- (split n i a) returns: n rhss
1304         --                        auxiliary bindings
1305         --                        1 or 0 insts to add to irreds
1306
1307
1308 split :: Int -> TcId -> TcId -> Inst 
1309       -> TcM (TcDictBinds, [LHsExpr TcId])
1310 -- (split n split_id root_id wanted) returns
1311 --      * a list of 'n' expressions, all of which witness 'avail'
1312 --      * a bunch of auxiliary bindings to support these expressions
1313 --      * one or zero insts needed to witness the whole lot
1314 --        (maybe be zero if the initial Inst is a Given)
1315 --
1316 -- NB: 'wanted' is just a template
1317
1318 split n split_id root_id wanted
1319   = go n
1320   where
1321     ty      = linearInstType wanted
1322     pair_ty = mkTyConApp pairTyCon [ty,ty]
1323     id      = instToId wanted
1324     occ     = getOccName id
1325     loc     = getSrcLoc id
1326     span    = instSpan wanted
1327
1328     go 1 = returnM (emptyBag, [L span $ HsVar root_id])
1329
1330     go n = go ((n+1) `div` 2)           `thenM` \ (binds1, rhss) ->
1331            expand n rhss                `thenM` \ (binds2, rhss') ->
1332            returnM (binds1 `unionBags` binds2, rhss')
1333
1334         -- (expand n rhss) 
1335         -- Given ((n+1)/2) rhss, make n rhss, using auxiliary bindings
1336         --  e.g.  expand 3 [rhs1, rhs2]
1337         --        = ( { x = split rhs1 },
1338         --            [fst x, snd x, rhs2] )
1339     expand n rhss
1340         | n `rem` 2 == 0 = go rhss      -- n is even
1341         | otherwise      = go (tail rhss)       `thenM` \ (binds', rhss') ->
1342                            returnM (binds', head rhss : rhss')
1343         where
1344           go rhss = mapAndUnzipM do_one rhss    `thenM` \ (binds', rhss') ->
1345                     returnM (listToBag binds', concat rhss')
1346
1347           do_one rhs = newUnique                        `thenM` \ uniq -> 
1348                        tcLookupId fstName               `thenM` \ fst_id ->
1349                        tcLookupId sndName               `thenM` \ snd_id ->
1350                        let 
1351                           x = mkUserLocal occ uniq pair_ty loc
1352                        in
1353                        returnM (L span (VarBind x (mk_app span split_id rhs)),
1354                                 [mk_fs_app span fst_id ty x, mk_fs_app span snd_id ty x])
1355
1356 mk_fs_app span id ty var = L span (HsVar id) `mkHsTyApp` [ty,ty] `mkHsApp` (L span (HsVar var))
1357
1358 mk_app span id rhs = L span (HsApp (L span (HsVar id)) rhs)
1359
1360 addBind binds inst rhs = binds `unionBags` unitBag (L (instLocSrcSpan (instLoc inst)) 
1361                                                       (VarBind (instToId inst) rhs))
1362 instSpan wanted = instLocSrcSpan (instLoc wanted)
1363 \end{code}
1364
1365
1366 %************************************************************************
1367 %*                                                                      *
1368 \subsection[reduce]{@reduce@}
1369 %*                                                                      *
1370 %************************************************************************
1371
1372 When the "what to do" predicate doesn't depend on the quantified type variables,
1373 matters are easier.  We don't need to do any zonking, unless the improvement step
1374 does something, in which case we zonk before iterating.
1375
1376 The "given" set is always empty.
1377
1378 \begin{code}
1379 simpleReduceLoop :: SDoc
1380                  -> (Inst -> WhatToDo)          -- What to do, *not* based on the quantified type variables
1381                  -> [Inst]                      -- Wanted
1382                  -> TcM ([Inst],                -- Free
1383                          TcDictBinds,
1384                          [Inst])                -- Irreducible
1385
1386 simpleReduceLoop doc try_me wanteds
1387   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
1388     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1389     if no_improvement then
1390         returnM (frees, binds, irreds)
1391     else
1392         simpleReduceLoop doc try_me (irreds ++ frees)   `thenM` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
1393         returnM (frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
1394 \end{code}
1395
1396
1397
1398 \begin{code}
1399 reduceContext :: SDoc
1400               -> (Inst -> WhatToDo)
1401               -> [Inst]                 -- Given
1402               -> [Inst]                 -- Wanted
1403               -> TcM (Bool,             -- True <=> improve step did no unification
1404                          [Inst],        -- Free
1405                          TcDictBinds,   -- Dictionary bindings
1406                          [Inst])        -- Irreducible
1407
1408 reduceContext doc try_me givens wanteds
1409   =
1410     traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1411              text "----------------------",
1412              doc,
1413              text "given" <+> ppr givens,
1414              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1415              text "----------------------"
1416              ]))                                        `thenM_`
1417
1418         -- Build the Avail mapping from "givens"
1419     foldlM addGiven emptyFM givens                      `thenM` \ init_state ->
1420
1421         -- Do the real work
1422     reduceList (0,[]) try_me wanteds init_state         `thenM` \ avails ->
1423
1424         -- Do improvement, using everything in avails
1425         -- In particular, avails includes all superclasses of everything
1426     tcImprove avails                                    `thenM` \ no_improvement ->
1427
1428     extractResults avails wanteds                       `thenM` \ (binds, irreds, frees) ->
1429
1430     traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1431              text "----------------------",
1432              doc,
1433              text "given" <+> ppr givens,
1434              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1435              text "----",
1436              text "avails" <+> pprAvails avails,
1437              text "frees" <+> ppr frees,
1438              text "no_improvement =" <+> ppr no_improvement,
1439              text "----------------------"
1440              ]))                                        `thenM_`
1441
1442     returnM (no_improvement, frees, binds, irreds)
1443
1444 tcImprove :: Avails -> TcM Bool         -- False <=> no change
1445 -- Perform improvement using all the predicates in Avails
1446 tcImprove avails
1447  =  tcGetInstEnvs                       `thenM` \ (home_ie, pkg_ie) ->
1448     let
1449         preds = [ (pred, pp_loc)
1450                 | inst <- keysFM avails,
1451                   let pp_loc = pprInstLoc (instLoc inst),
1452                   pred <- fdPredsOfInst inst
1453                 ]
1454                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1455                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1456                 -- It does not have duplicates (good)
1457                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1458                 --    so that improve will see them separate
1459         eqns = improve get_insts preds
1460         get_insts clas = classInstEnv home_ie clas ++ classInstEnv pkg_ie clas
1461      in
1462      if null eqns then
1463         returnM True
1464      else
1465         traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))     `thenM_`
1466         mappM_ unify eqns       `thenM_`
1467         returnM False
1468   where
1469     unify ((qtvs, t1, t2), doc)
1470          = addErrCtxt doc                               $
1471            tcInstTyVars VanillaTv (varSetElems qtvs)    `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1472            unifyTauTy (substTy tenv t1) (substTy tenv t2)
1473 \end{code}
1474
1475 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1476
1477 \begin{code}
1478 reduceList :: (Int,[Inst])              -- Stack (for err msgs)
1479                                         -- along with its depth
1480            -> (Inst -> WhatToDo)
1481            -> [Inst]
1482            -> Avails
1483            -> TcM Avails
1484 \end{code}
1485
1486 @reduce@ is passed
1487      try_me:    given an inst, this function returns
1488                   Reduce       reduce this
1489                   DontReduce   return this in "irreds"
1490                   Free         return this in "frees"
1491
1492      wanteds:   The list of insts to reduce
1493      state:     An accumulating parameter of type Avails
1494                 that contains the state of the algorithm
1495
1496   It returns a Avails.
1497
1498 The (n,stack) pair is just used for error reporting.
1499 n is always the depth of the stack.
1500 The stack is the stack of Insts being reduced: to produce X
1501 I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1502
1503 \begin{code}
1504 reduceList (n,stack) try_me wanteds state
1505   | n > opt_MaxContextReductionDepth
1506   = failWithTc (reduceDepthErr n stack)
1507
1508   | otherwise
1509   =
1510 #ifdef DEBUG
1511    (if n > 8 then
1512         pprTrace "Interesting! Context reduction stack deeper than 8:" 
1513                  (nest 2 (pprStack stack))
1514     else (\x->x))
1515 #endif
1516     go wanteds state
1517   where
1518     go []     state = returnM state
1519     go (w:ws) state = reduce (n+1, w:stack) try_me w state      `thenM` \ state' ->
1520                       go ws state'
1521
1522     -- Base case: we're done!
1523 reduce stack try_me wanted avails
1524     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1525   | Just avail <- isAvailable avails wanted
1526   = if isLinearInst wanted then
1527         addLinearAvailable avails avail wanted  `thenM` \ (avails', wanteds') ->
1528         reduceList stack try_me wanteds' avails'
1529     else
1530         returnM avails          -- No op for non-linear things
1531
1532   | otherwise
1533   = case try_me wanted of {
1534
1535       DontReduce want_scs -> addIrred want_scs avails wanted
1536
1537     ; DontReduceUnlessConstant ->    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
1538                                      -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1539         try_simple (addIrred AddSCs)    -- Assume want superclasses
1540
1541     ; Free ->   -- It's free so just chuck it upstairs
1542                 -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1543         try_simple addFree
1544
1545     ; ReduceMe ->               -- It should be reduced
1546         lookupInst wanted             `thenM` \ lookup_result ->
1547         case lookup_result of
1548             GenInst wanteds' rhs -> addIrred NoSCs avails wanted                `thenM` \ avails1 ->
1549                                     reduceList stack try_me wanteds' avails1    `thenM` \ avails2 ->
1550                                     addWanted avails2 wanted rhs wanteds'
1551                 -- Experiment with temporarily doing addIrred *before* the reduceList, 
1552                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1553                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1554                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1555                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1556                 --     superclasses too, and thaat can lead to a spurious loop; see
1557                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1558                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1559
1560             SimpleInst rhs       -> addWanted avails wanted rhs []
1561
1562             NoInstance ->    -- No such instance!
1563                              -- Add it and its superclasses
1564                              addIrred AddSCs avails wanted
1565     }
1566   where
1567     try_simple do_this_otherwise
1568       = lookupInst wanted         `thenM` \ lookup_result ->
1569         case lookup_result of
1570             SimpleInst rhs -> addWanted avails wanted rhs []
1571             other          -> do_this_otherwise avails wanted
1572 \end{code}
1573
1574
1575 \begin{code}
1576 -------------------------
1577 isAvailable :: Avails -> Inst -> Maybe Avail
1578 isAvailable avails wanted = lookupFM avails wanted
1579         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
1580         -- *not* by unique.  So
1581         --      d1::C Int ==  d2::C Int
1582
1583 addLinearAvailable :: Avails -> Avail -> Inst -> TcM (Avails, [Inst])
1584 addLinearAvailable avails avail wanted
1585         -- avails currently maps [wanted -> avail]
1586         -- Extend avails to reflect a neeed for an extra copy of avail
1587
1588   | Just avail' <- split_avail avail
1589   = returnM (addToFM avails wanted avail', [])
1590
1591   | otherwise
1592   = tcLookupId splitName                        `thenM` \ split_id ->
1593     tcInstClassOp (instLoc wanted) split_id 
1594                   [linearInstType wanted]       `thenM` \ split_inst ->
1595     returnM (addToFM avails wanted (Linear 2 split_inst avail), [split_inst])
1596
1597   where
1598     split_avail :: Avail -> Maybe Avail
1599         -- (Just av) if there's a modified version of avail that
1600         --           we can use to replace avail in avails
1601         -- Nothing   if there isn't, so we need to create a Linear
1602     split_avail (Linear n i a)              = Just (Linear (n+1) i a)
1603     split_avail (Given id used) | not used  = Just (Given id True)
1604                                 | otherwise = Nothing
1605     split_avail Irred                       = Nothing
1606     split_avail IsFree                      = Nothing
1607     split_avail other = pprPanic "addLinearAvailable" (ppr avail $$ ppr wanted $$ ppr avails)
1608                   
1609 -------------------------
1610 addFree :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1611         -- When an Inst is tossed upstairs as 'free' we nevertheless add it
1612         -- to avails, so that any other equal Insts will be commoned up right
1613         -- here rather than also being tossed upstairs.  This is really just
1614         -- an optimisation, and perhaps it is more trouble that it is worth,
1615         -- as the following comments show!
1616         --
1617         -- NB: do *not* add superclasses.  If we have
1618         --      df::Floating a
1619         --      dn::Num a
1620         -- but a is not bound here, then we *don't* want to derive
1621         -- dn from df here lest we lose sharing.
1622         --
1623 addFree avails free = returnM (addToFM avails free IsFree)
1624
1625 addWanted :: Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
1626 addWanted avails wanted rhs_expr wanteds
1627   = addAvailAndSCs avails wanted avail
1628   where
1629     avail | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr wanteds
1630           | otherwise                  = ASSERT( null wanteds ) NoRhs
1631
1632 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1633 addGiven avails given = addAvailAndSCs avails given (Given (instToId given) False)
1634         -- No ASSERT( not (given `elemFM` avails) ) because in an instance
1635         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
1636         -- so the assert isn't true
1637
1638 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1639 addIrred NoSCs  avails irred = returnM (addToFM avails irred Irred)
1640 addIrred AddSCs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemFM` avails), ppr irred $$ ppr avails )
1641                                addAvailAndSCs avails irred Irred
1642
1643 addAvailAndSCs :: Avails -> Inst -> Avail -> TcM Avails
1644 addAvailAndSCs avails inst avail
1645   | not (isClassDict inst) = returnM avails1
1646   | otherwise              = traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps]) `thenM_`
1647                              addSCs is_loop avails1 inst 
1648   where
1649     avails1      = addToFM avails inst avail
1650     is_loop inst = any (`tcEqType` idType (instToId inst)) dep_tys
1651                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
1652     deps         = findAllDeps emptyVarSet avail
1653     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
1654
1655     findAllDeps :: IdSet -> Avail -> IdSet
1656     -- Find all the Insts that this one depends on
1657     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1658     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
1659     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
1660     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) 
1661       = foldl findAllDeps
1662               (extendVarSetList so_far (map instToId kids))     -- Add the kids to so_far
1663               [a | Just a <- map (lookupFM avails) kids]        -- Find the kids' Avail
1664     findAllDeps so_far other = so_far
1665
1666
1667 addSCs :: (Inst -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1668         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
1669         -- The first param says "dont do this because the original thing
1670         --      depends on this one, so you'd build a loop"
1671         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
1672
1673 addSCs is_loop avails dict
1674   = newDictsFromOld dict sc_theta'      `thenM` \ sc_dicts ->
1675     foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels)
1676   where
1677     (clas, tys) = getDictClassTys dict
1678     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
1679     sc_theta' = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta
1680
1681     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)     -- Add it, and its superclasses
1682       | add_me sc_dict = addSCs is_loop avails' sc_dict
1683       | otherwise      = returnM avails
1684       where
1685         sc_sel_rhs = mkHsDictApp (mkHsTyApp (L (instSpan dict) (HsVar sc_sel)) tys) [instToId dict]
1686         avails'    = addToFM avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
1687
1688     add_me :: Inst -> Bool
1689     add_me sc_dict
1690         | is_loop sc_dict = False       -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1691         | otherwise       = case lookupFM avails sc_dict of
1692                                 Just (Given _ _) -> False       -- Given is cheaper than superclass selection
1693                                 other            -> True        
1694 \end{code}
1695
1696 Note [SUPERCLASS-LOOP]: Checking for loops
1697 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1698 We have to be careful here.  If we are *given* d1:Ord a,
1699 and want to deduce (d2:C [a]) where
1700
1701         class Ord a => C a where
1702         instance Ord a => C [a] where ...
1703
1704 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] and then add the
1705 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1706 for d1:Ord a (which is given) with a superclass selection or we'll just
1707 build a loop! 
1708
1709 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1710         class Monad m => C1 m
1711         class C1 m => C2 m x
1712         instance C2 Maybe Bool
1713 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1714 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1715 before we search for C1 Maybe.
1716
1717 Here's another example 
1718         class Eq b => Foo a b
1719         instance Eq a => Foo [a] a
1720 If we are reducing
1721         (Foo [t] t)
1722
1723 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1724 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1725
1726 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1727 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1728 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1729 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1730 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Irred
1731 first time, but reducible next time.
1732
1733 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1734 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1735
1736
1737 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1738 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1739 Consider 
1740     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1741     
1742     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1743         ZeroD     == ZeroD     = True
1744         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1745         _         == _         = False;
1746     
1747     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1748     equalDC = (==);
1749
1750 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1751
1752         d1 : Eq (D [])
1753
1754 by instance decl, holds if
1755         d2 : Eq [D []]
1756         where   d1 = dfEqD d2
1757
1758 by instance decl of Eq, holds if
1759         d3 : D []
1760         where   d2 = dfEqList d3
1761                 d1 = dfEqD d2
1762
1763 But now we can "tie the knot" to give
1764
1765         d3 = d1
1766         d2 = dfEqList d3
1767         d1 = dfEqD d2
1768
1769 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
1770 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
1771 contributing clauses.
1772         
1773
1774 %************************************************************************
1775 %*                                                                      *
1776 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
1777 %*                                                                      *
1778 %************************************************************************
1779
1780
1781 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
1782 and ambiguous Insts.
1783
1784 We need to be careful of one case.  Suppose we have
1785
1786         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
1787
1788 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
1789 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
1790
1791 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
1792
1793
1794 \begin{code}
1795 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
1796 tcSimplifyTop         wanteds = tc_simplify_top False {- Not interactive loop -} wanteds
1797 tcSimplifyInteractive wanteds = tc_simplify_top True  {- Interactive loop -}     wanteds
1798
1799
1800 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
1801 -- error message generation for the monomorphism restriction
1802 tc_simplify_top is_interactive wanteds
1803   = getLclEnv                                                   `thenM` \ lcl_env ->
1804     traceTc (text "tcSimplifyTop" <+> ppr (lclEnvElts lcl_env)) `thenM_`
1805     simpleReduceLoop (text "tcSimplTop") reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1806     ASSERT( null frees )
1807
1808     let
1809                 -- All the non-std ones are definite errors
1810         (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
1811
1812                 -- Group by type variable
1813         std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
1814
1815                 -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
1816                 -- namely, the onese whose type variable isn't bound
1817                 -- up with one of the non-standard classes
1818         (std_oks, std_bads)     = partition worth_a_try std_groups
1819         worth_a_try group@(d:_) = not (non_std_tyvars `intersectsVarSet` tyVarsOfInst d)
1820         non_std_tyvars          = unionVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
1821
1822                 -- Collect together all the bad guys
1823         bad_guys               = non_stds ++ concat std_bads
1824         (bad_ips, non_ips)     = partition isIPDict bad_guys
1825         (no_insts, ambigs)     = partition no_inst non_ips
1826         no_inst d              = not (isTyVarDict d) 
1827         -- Previously, there was a more elaborate no_inst definition:
1828         --      no_inst d = not (isTyVarDict d) || tyVarsOfInst d `subVarSet` fixed_tvs
1829         --      fixed_tvs = oclose (fdPredsOfInsts tidy_dicts) emptyVarSet
1830         -- But that seems over-elaborate to me; it only bites for class decls with
1831         -- fundeps like this:           class C a b | -> b where ...
1832     in
1833
1834         -- Report definite errors
1835     groupErrs (addNoInstanceErrs Nothing []) no_insts   `thenM_`
1836     addTopIPErrs bad_ips                                `thenM_`
1837
1838         -- Deal with ambiguity errors, but only if
1839         -- if there has not been an error so far; errors often
1840         -- give rise to spurious ambiguous Insts
1841     ifErrsM (returnM []) (
1842         
1843         -- Complain about the ones that don't fall under
1844         -- the Haskell rules for disambiguation
1845         -- This group includes both non-existent instances
1846         --      e.g. Num (IO a) and Eq (Int -> Int)
1847         -- and ambiguous dictionaries
1848         --      e.g. Num a
1849         addTopAmbigErrs ambigs          `thenM_`
1850
1851         -- Disambiguate the ones that look feasible
1852         mappM (disambigGroup is_interactive) std_oks
1853     )                                   `thenM` \ binds_ambig ->
1854
1855     returnM (binds `unionBags` unionManyBags binds_ambig)
1856
1857 ----------------------------------
1858 d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
1859
1860 get_tv d   = case getDictClassTys d of
1861                    (clas, [ty]) -> tcGetTyVar "tcSimplify" ty
1862 get_clas d = case getDictClassTys d of
1863                    (clas, [ty]) -> clas
1864 \end{code}
1865
1866 If a dictionary constrains a type variable which is
1867         * not mentioned in the environment
1868         * and not mentioned in the type of the expression
1869 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
1870 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
1871 parameter to a function.
1872
1873 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
1874 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
1875 Specifically, if
1876         * at least one of its classes is a numeric class, and
1877         * all of its classes are numeric or standard
1878 then the type variable can be defaulted to the first type in the
1879 default-type list which is an instance of all the offending classes.
1880
1881 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
1882 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
1883 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
1884 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
1885
1886 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
1887 the same type variable.
1888
1889 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
1890 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
1891 the most common use of defaulting is code like:
1892 \begin{verbatim}
1893         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
1894 \end{verbatim}
1895 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
1896 @void@.
1897
1898 \begin{code}
1899 disambigGroup :: Bool   -- True <=> simplifying at top-level interactive loop
1900               -> [Inst] -- All standard classes of form (C a)
1901               -> TcM TcDictBinds
1902
1903 disambigGroup is_interactive dicts
1904   |   any std_default_class classes     -- Guaranteed all standard classes
1905   =     -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
1906         -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
1907
1908         -- Failure here is caused by there being no type in the
1909         -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
1910         -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
1911         -- default list is Int.
1912     get_default_tys                     `thenM` \ default_tys ->
1913     let
1914       try_default []    -- No defaults work, so fail
1915         = failM
1916
1917       try_default (default_ty : default_tys)
1918         = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $ -- If default_ty fails, we try
1919                                                 -- default_tys instead
1920           tcSimplifyDefault theta               `thenM` \ _ ->
1921           returnM default_ty
1922         where
1923           theta = [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
1924     in
1925         -- See if any default works
1926     tryM (try_default default_tys)      `thenM` \ mb_ty ->
1927     case mb_ty of
1928         Left  _                 -> bomb_out
1929         Right chosen_default_ty -> choose_default chosen_default_ty
1930
1931   | otherwise                           -- No defaults
1932   = bomb_out
1933
1934   where
1935     tyvar   = get_tv (head dicts)       -- Should be non-empty
1936     classes = map get_clas dicts
1937
1938     std_default_class cls
1939       =  isNumericClass cls
1940       || (is_interactive && 
1941           classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
1942                 -- In interactive mode, we default Show a to Show ()
1943                 -- to avoid graututious errors on "show []"
1944
1945     choose_default default_ty   -- Commit to tyvar = default_ty
1946       = -- Bind the type variable 
1947         unifyTauTy default_ty (mkTyVarTy tyvar) `thenM_`
1948         -- and reduce the context, for real this time
1949         simpleReduceLoop (text "disambig" <+> ppr dicts)
1950                      reduceMe dicts                     `thenM` \ (frees, binds, ambigs) ->
1951         WARN( not (null frees && null ambigs), ppr frees $$ ppr ambigs )
1952         warnDefault dicts default_ty                    `thenM_`
1953         returnM binds
1954
1955     bomb_out = addTopAmbigErrs dicts    `thenM_`
1956                returnM emptyBag
1957
1958 get_default_tys
1959   = do  { mb_defaults <- getDefaultTys
1960         ; case mb_defaults of
1961                 Just tys -> return tys
1962                 Nothing  ->     -- No use-supplied default;
1963                                 -- use [Integer, Double]
1964                             do { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
1965                                ; return [integer_ty, doubleTy] } }
1966 \end{code}
1967
1968 [Aside - why the defaulting mechanism is turned off when
1969  dealing with arguments and results to ccalls.
1970
1971 When typechecking _ccall_s, TcExpr ensures that the external
1972 function is only passed arguments (and in the other direction,
1973 results) of a restricted set of 'native' types. This is
1974 implemented via the help of the pseudo-type classes,
1975 @CReturnable@ (CR) and @CCallable@ (CC.)
1976
1977 The interaction between the defaulting mechanism for numeric
1978 values and CC & CR can be a bit puzzling to the user at times.
1979 For example,
1980
1981     x <- _ccall_ f
1982     if (x /= 0) then
1983        _ccall_ g x
1984      else
1985        return ()
1986
1987 What type has 'x' got here? That depends on the default list
1988 in operation, if it is equal to Haskell 98's default-default
1989 of (Integer, Double), 'x' has type Double, since Integer
1990 is not an instance of CR. If the default list is equal to
1991 Haskell 1.4's default-default of (Int, Double), 'x' has type
1992 Int.
1993
1994 To try to minimise the potential for surprises here, the
1995 defaulting mechanism is turned off in the presence of
1996 CCallable and CReturnable.
1997
1998 End of aside]
1999
2000
2001 %************************************************************************
2002 %*                                                                      *
2003 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2004 %*                                                                      *
2005 %************************************************************************
2006
2007 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2008
2009 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2010 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2011 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2012
2013 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2014 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2015 instance declarations.
2016
2017 \begin{code}
2018 tcSimplifyDeriv :: [TyVar]      
2019                 -> ThetaType            -- Wanted
2020                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2021
2022 tcSimplifyDeriv tyvars theta
2023   = tcInstTyVars VanillaTv tyvars                       `thenM` \ (tvs, _, tenv) ->
2024         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2025         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2026         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2027     newDicts DataDeclOrigin (substTheta tenv theta)     `thenM` \ wanteds ->
2028     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds               `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2029     ASSERT( null frees )                        -- reduceMe never returns Free
2030
2031     doptM Opt_AllowUndecidableInstances         `thenM` \ undecidable_ok ->
2032     let
2033         tv_set      = mkVarSet tvs
2034
2035         (bad_insts, ok_insts) = partition is_bad_inst irreds
2036         is_bad_inst dict 
2037            = let pred = dictPred dict   -- reduceMe squashes all non-dicts
2038              in isEmptyVarSet (tyVarsOfPred pred)
2039                   -- Things like (Eq T) are bad
2040              || (not undecidable_ok && not (isTyVarClassPred pred))
2041                   -- The returned dictionaries should be of form (C a b)
2042                   --    (where a, b are type variables).  
2043                   -- We allow non-tyvar dicts if we had -fallow-undecidable-instances,
2044                   -- but note that risks non-termination in the 'deriving' context-inference
2045                   -- fixpoint loop.   It is useful for situations like
2046                   --    data Min h a = E | M a (h a)
2047                   -- which gives the instance decl
2048                   --    instance (Eq a, Eq (h a)) => Eq (Min h a)
2049   
2050         simpl_theta = map dictPred ok_insts
2051         weird_preds = [pred | pred <- simpl_theta
2052                             , not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
2053           -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
2054           -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
2055           -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
2056           -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
2057           -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
2058   
2059         rev_env = mkTopTyVarSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2060                 -- This reverse-mapping is a Royal Pain, 
2061                 -- but the result should mention TyVars not TcTyVars
2062     in
2063    
2064     addNoInstanceErrs Nothing [] bad_insts              `thenM_`
2065     mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds       `thenM_`
2066     checkAmbiguity tvs simpl_theta tv_set               `thenM_`
2067     returnM (substTheta rev_env simpl_theta)
2068   where
2069     doc    = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2070 \end{code}
2071
2072 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2073 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2074 whether it worked or not.
2075
2076 \begin{code}
2077 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2078                   -> TcM ()
2079
2080 tcSimplifyDefault theta
2081   = newDicts DataDeclOrigin theta               `thenM` \ wanteds ->
2082     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2083     ASSERT( null frees )        -- try_me never returns Free
2084     addNoInstanceErrs Nothing []  irreds        `thenM_`
2085     if null irreds then
2086         returnM ()
2087     else
2088         failM
2089   where
2090     doc = ptext SLIT("default declaration")
2091 \end{code}
2092
2093
2094 %************************************************************************
2095 %*                                                                      *
2096 \section{Errors and contexts}
2097 %*                                                                      *
2098 %************************************************************************
2099
2100 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2101 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2102 now?
2103
2104 \begin{code}
2105 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2106           -> [Inst]             -- The offending Insts
2107           -> TcM ()
2108 -- Group together insts with the same origin
2109 -- We want to report them together in error messages
2110
2111 groupErrs report_err [] 
2112   = returnM ()
2113 groupErrs report_err (inst:insts) 
2114   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2115     groupErrs report_err others
2116
2117   where
2118         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2119         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2120         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2121    (friends, others) = partition is_friend insts
2122    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2123    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2124    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2125                 -- Add location and context information derived from the Insts
2126
2127 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2128 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2129 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstLoc (instLoc (head insts)))
2130
2131 plural [x] = empty
2132 plural xs  = char 's'
2133
2134 addTopIPErrs dicts
2135   = groupErrs report tidy_dicts
2136   where
2137     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2138     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2139     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2140                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2141
2142 addNoInstanceErrs :: Maybe SDoc -- Nothing => top level
2143                                 -- Just d => d describes the construct
2144                   -> [Inst]     -- What is given by the context or type sig
2145                   -> [Inst]     -- What is wanted
2146                   -> TcM ()     
2147 addNoInstanceErrs mb_what givens [] 
2148   = returnM ()
2149 addNoInstanceErrs mb_what givens dicts
2150   =     -- Some of the dicts are here because there is no instances
2151         -- and some because there are too many instances (overlap)
2152         -- The first thing we do is separate them
2153     getDOpts            `thenM` \ dflags ->
2154     tcGetInstEnvs       `thenM` \ inst_envs ->
2155     let
2156         (tidy_env1, tidy_givens) = tidyInsts givens
2157         (tidy_env2, tidy_dicts)  = tidyMoreInsts tidy_env1 dicts
2158
2159         -- Run through the dicts, generating a message for each
2160         -- overlapping one, but simply accumulating all the 
2161         -- no-instance ones so they can be reported as a group
2162         (overlap_doc, no_inst_dicts) = foldl check_overlap (empty, []) tidy_dicts
2163         check_overlap (overlap_doc, no_inst_dicts) dict 
2164           | not (isClassDict dict) = (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)
2165           | otherwise
2166           = case lookupInstEnv dflags inst_envs clas tys of
2167                 res@(ms, _) 
2168                   | length ms > 1 -> (mk_overlap_msg dict res $$ overlap_doc, no_inst_dicts)
2169                   | otherwise     -> (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)        -- No match
2170                 -- NB: there can be exactly one match, in the case where we have
2171                 --      instance C a where ...
2172                 -- (In this case, lookupInst doesn't bother to look up, 
2173                 --  unless -fallow-undecidable-instances is set.)
2174                 -- So we report this as "no instance" rather than "overlap"; the fix is
2175                 -- to specify -fallow-undecidable-instances, but we leave that to the programmer!
2176           where
2177             (clas,tys) = getDictClassTys dict
2178     in
2179     mk_probable_fix tidy_env2 mb_what no_inst_dicts     `thenM` \ (tidy_env3, probable_fix) ->
2180     let
2181         no_inst_doc | null no_inst_dicts = empty
2182                     | otherwise = vcat [addInstLoc no_inst_dicts heading, probable_fix]
2183         heading | null givens = ptext SLIT("No instance") <> plural no_inst_dicts <+> 
2184                                 ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta no_inst_dicts
2185                 | otherwise   = sep [ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta no_inst_dicts,
2186                                      nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta tidy_givens]
2187     in
2188     addErrTcM (tidy_env3, no_inst_doc $$ overlap_doc)
2189  
2190   where
2191     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2192       = vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
2193                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
2194                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2195                      nest 2 (pprDFuns (dfuns ++ unifiers))],
2196                 if null unifiers 
2197                 then empty
2198                 else parens (ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2199                              quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))))]
2200       where
2201         dfuns = [df | (_, (_,_,df)) <- matches]
2202
2203     mk_probable_fix tidy_env Nothing dicts      -- Top level
2204       = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts
2205     mk_probable_fix tidy_env (Just what) dicts  -- Nested (type signatures, instance decls)
2206       = returnM (tidy_env, sep [ptext SLIT("Probable fix:"), nest 2 fix1, nest 2 fix2])
2207       where
2208         fix1 = sep [ptext SLIT("Add") <+> pprDictsTheta dicts,
2209                     ptext SLIT("to the") <+> what]
2210
2211         fix2 | null instance_dicts = empty
2212              | otherwise           = ptext SLIT("Or add an instance declaration for")
2213                                      <+> pprDictsTheta instance_dicts
2214         instance_dicts = [d | d <- dicts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2215                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2216                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2217
2218
2219 addTopAmbigErrs dicts
2220 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
2221   = mapM report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
2222   where
2223     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2224
2225     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
2226     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
2227     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
2228     
2229     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
2230     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
2231         = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts      `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
2232           addSrcSpan (instLocSrcSpan (instLoc inst)) $
2233                 -- the location of the first one will do for the err message
2234           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
2235         where
2236           dicts = map fst pairs
2237           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
2238                              pprQuotedList tvs <+> in_msg,
2239                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
2240           in_msg | isSingleton dicts = text "in the top-level constraint:"
2241                  | otherwise         = text "in these top-level constraints:"
2242
2243
2244 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [Inst] -> TcM (TidyEnv, Message)
2245 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
2246 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
2247 -- Try to identify the offending variable
2248 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
2249 mkMonomorphismMsg tidy_env insts
2250   | isEmptyVarSet inst_tvs
2251   = returnM (tidy_env, empty)
2252   | otherwise
2253   = findGlobals inst_tvs tidy_env       `thenM` \ (tidy_env, docs) ->
2254     returnM (tidy_env, mk_msg docs)
2255
2256   where
2257     inst_tvs = tyVarsOfInsts insts
2258
2259     mk_msg []   = empty         -- This happens in things like
2260                                 --      f x = show (read "foo")
2261                                 -- whre monomorphism doesn't play any role
2262     mk_msg docs = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
2263                         nest 2 (vcat docs),
2264                         ptext SLIT("Probable fix: give these definition(s) an explicit type signature")]
2265     
2266 warnDefault dicts default_ty
2267   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
2268     addInstCtxt (instLoc (head dicts)) (warnTc warn_flag warn_msg)
2269   where
2270         -- Tidy them first
2271     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2272     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
2273                                 quotes (ppr default_ty),
2274                       pprDictsInFull tidy_dicts]
2275
2276 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
2277 badDerivedPred pred
2278   = vcat [ptext SLIT("Can't derive instances where the instance context mentions"),
2279           ptext SLIT("type variables that are not data type parameters"),
2280           nest 2 (ptext SLIT("Offending constraint:") <+> ppr pred)]
2281
2282 reduceDepthErr n stack
2283   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
2284           ptext SLIT("Use -fcontext-stack20 to increase stack size to (e.g.) 20"),
2285           nest 4 (pprStack stack)]
2286
2287 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
2288 \end{code}