[project @ 2001-04-12 21:29:43 by lewie]
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
index 2cd1458..a4f6af4 100644 (file)
 %
 %
-% (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1996
+% (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
 %
 \section[TcSimplify]{TcSimplify}
 
 %
 \section[TcSimplify]{TcSimplify}
 
-Notes:
 
 
-Inference (local definitions)
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-If the inst constrains a local type variable, then
-  [ReduceMe] if it's a literal or method inst, reduce it
 
 
-  [DontReduce] otherwise see whether the inst is just a constant
-    if succeed, use it
-    if not, add original to context
-  This check gets rid of constant dictionaries without
-  losing sharing.
+\begin{code}
+module TcSimplify (
+       tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck, tcSimplifyCheck,
+       tcSimplifyRestricted,
+       tcSimplifyToDicts, tcSimplifyIPs, tcSimplifyTop, 
 
 
-If the inst does not constrain a local type variable then
-  [Free] then throw it out as free.
+       tcSimplifyThetas, tcSimplifyCheckThetas,
+       bindInstsOfLocalFuns
+    ) where
 
 
-Inference (top level definitions)
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-If the inst does not constrain a local type variable, then
-  [FreeIfTautological] try for tautology; 
-      if so, throw it out as free
-        (discarding result of tautology check)
-      if not, make original inst part of the context 
-        (eliminating superclasses as usual)
+#include "HsVersions.h"
 
 
-If the inst constrains a local type variable, then
-   as for inference (local defns)
+import HsSyn           ( MonoBinds(..), HsExpr(..), andMonoBinds, andMonoBindList )
+import TcHsSyn         ( TcExpr, TcId, 
+                         TcMonoBinds, TcDictBinds
+                       )
 
 
+import TcMonad
+import Inst            ( lookupInst, lookupSimpleInst, LookupInstResult(..),
+                         tyVarsOfInst, predsOfInsts, predsOfInst,
+                         isDict, isClassDict, 
+                         isStdClassTyVarDict, isMethodFor,
+                         instToId, tyVarsOfInsts,
+                         instBindingRequired, instCanBeGeneralised,
+                         newDictsFromOld, instMentionsIPs,
+                         getDictClassTys, isTyVarDict,
+                         instLoc, pprInst, zonkInst, tidyInsts,
+                         Inst, LIE, pprInsts, pprInstsInFull,
+                         mkLIE, lieToList 
+                       )
+import TcEnv           ( tcGetGlobalTyVars, tcGetInstEnv )
+import InstEnv         ( lookupInstEnv, classInstEnv, InstLookupResult(..) )
+
+import TcType          ( zonkTcTyVarsAndFV, tcInstTyVars )
+import TcUnify         ( unifyTauTy )
+import Id              ( idType )
+import Name            ( Name )
+import NameSet         ( mkNameSet )
+import Class           ( classBigSig )
+import FunDeps         ( oclose, grow, improve )
+import PrelInfo                ( isNumericClass, isCreturnableClass, isCcallishClass )
+
+import Type            ( Type, ThetaType, PredType, mkClassPred,
+                         mkTyVarTy, getTyVar, isTyVarClassPred,
+                         splitSigmaTy, tyVarsOfPred,
+                         getClassPredTys_maybe, isClassPred, isIPPred,
+                         inheritablePred
+                       )
+import Subst           ( mkTopTyVarSubst, substTheta, substTy )
+import TysWiredIn      ( unitTy )
+import VarSet
+import FiniteMap
+import Outputable
+import ListSetOps      ( equivClasses )
+import Util            ( zipEqual )
+import List            ( partition )
+import CmdLineOpts
+\end{code}
 
 
-Checking (local defns)
-~~~~~~~~
-If the inst constrains a local type variable then 
-  [ReduceMe] reduce (signal error on failure)
 
 
-If the inst does not constrain a local type variable then
-  [Free] throw it out as free.
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{NOTES}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
 
 
-Checking (top level)
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-If the inst constrains a local type variable then
-   as for checking (local defns)
+       --------------------------------------  
+               Notes on quantification
+       --------------------------------------  
 
 
-If the inst does not constrain a local type variable then
-   as for checking (local defns)
+Suppose we are about to do a generalisation step.
+We have in our hand
 
 
+       G       the environment
+       T       the type of the RHS
+       C       the constraints from that RHS
 
 
+The game is to figure out
 
 
-Checking once per module
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-For dicts of the form (C a), where C is a std class
-  and "a" is a type variable,
-  [DontReduce] add to context
+       Q       the set of type variables over which to quantify
+       Ct      the constraints we will *not* quantify over
+       Cq      the constraints we will quantify over
 
 
-otherwise [ReduceMe] always reduce
+So we're going to infer the type
 
 
-[NB: we may generate one Tree [Int] dict per module, so 
-     sharing is not complete.]
+       forall Q. Cq => T
 
 
-Sort out ambiguity at the end.
+and float the constraints Ct further outwards.  
 
 
-Principal types
-~~~~~~~~~~~~~~~
-class C a where
-  op :: a -> a
+Here are the things that *must* be true:
 
 
-f x = let g y = op (y::Int) in True
+ (A)   Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
+ (B)   Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
 
 
-Here the principal type of f is (forall a. a->a)
-but we'll produce the non-principal type
-    f :: forall a. C Int => a -> a
+(A) says we can't quantify over a variable that's free in the
+environment.  (B) says we must quantify over all the truly free
+variables in T, else we won't get a sufficiently general type.  We do
+not *need* to quantify over any variable that is fixed by the free
+vars of the environment G.
 
 
+       BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
 
 
-Ambiguity
-~~~~~~~~~
-Consider this:
+Example:       class H x y | x->y where ...
 
 
-       instance C (T a) Int  where ...
-       instance C (T a) Bool where ...
+       fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
+                       T = c -> b
 
 
-and suppose we infer a context
+       (A)  Q intersect {a} is empty
+       (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
 
 
-           C (T x) y
+       So Q can be {c,d}, {b,c,d}
 
 
-from some expression, where x and y are type varibles,
-and x is ambiguous, and y is being quantified over.
-Should we complain, or should we generate the type
+Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
+variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
+constraints can get into Ct instead of Cq.
 
 
-       forall x y. C (T x) y => <type not involving x>
 
 
-The idea is that at the call of the function we might
-know that y is Int (say), so the "x" isn't really ambiguous.
-Notice that we have to add "x" to the type variables over
-which we generalise.
+-----------------------------------------
+We will make use of
 
 
-Something similar can happen even if C constrains only ambiguous
-variables.  Suppose we infer the context 
+  fv(T)                the free type vars of T
 
 
-       C [x]
+  oclose(vs,C) The result of extending the set of tyvars vs
+               using the functional dependencies from C
 
 
-where x is ambiguous.  Then we could infer the type
+  grow(vs,C)   The result of extend the set of tyvars vs
+               using all conceivable links from C.  
 
 
-       forall x. C [x] => <type not involving x>
+               E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
+               Then grow(vs,C) = {a,b,c}
 
 
-in the hope that at the call site there was an instance
-decl such as
+               Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
+               That is, simplfication can only shrink the result of grow.
 
 
-       instance Num a => C [a] where ...
+Notice that 
+   oclose is conservative one way:      v `elem` oclose(vs,C) => v is definitely fixed by vs
+   grow is conservative the other way:  if v might be fixed by vs => v `elem` grow(vs,C)
 
 
-and hence the default mechanism would resolve the "a".
 
 
+-----------------------------------------
 
 
-\begin{code}
-module TcSimplify (
-       tcSimplify, tcSimplifyAndCheck,
-       tcSimplifyTop, tcSimplifyThetas, tcSimplifyCheckThetas,
-       bindInstsOfLocalFuns
-    ) where
+Choosing Q
+~~~~~~~~~~
+Here's a good way to choose Q:
 
 
-#include "HsVersions.h"
+       Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
 
 
-import HsSyn           ( MonoBinds(..), HsExpr(..), andMonoBinds )
-import TcHsSyn         ( TcExpr, TcIdOcc(..), TcIdBndr, 
-                         TcMonoBinds, TcDictBinds
-                       )
+That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
+call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
+G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
+albeit perhaps too many.
 
 
-import TcMonad
-import Inst            ( lookupInst, lookupSimpleInst, LookupInstResult(..),
-                         tyVarsOfInst, 
-                         isDict, isStdClassTyVarDict, isMethodFor,
-                         instToId, instBindingRequired, instCanBeGeneralised,
-                         newDictFromOld,
-                         instLoc, getDictClassTys,
-                         pprInst, zonkInst,
-                         Inst(..), LIE, pprInsts, pprInstsInFull, mkLIE, 
-                         InstOrigin, pprOrigin
-                       )
-import TcEnv           ( TcIdOcc(..) )
-import TcType          ( TcType, TcTyVarSet, TcMaybe, tcInstType, tcInstTheta )
-import Unify           ( unifyTauTy )
-import Id              ( mkIdSet )
-
-import Bag             ( Bag, bagToList, snocBag )
-import Class           ( Class, ClassInstEnv, classBigSig, classInstEnv )
-import PrelInfo                ( isNumericClass, isCcallishClass )
-
-import Maybes          ( maybeToBool )
-import Type            ( Type, ThetaType, TauType, mkTyVarTy, getTyVar,
-                         isTyVarTy, instantiateThetaTy
-                       )
-import PprType         ( pprConstraint )
-import TysWiredIn      ( unitTy )
-import TyVar           ( intersectTyVarSets, unionManyTyVarSets,
-                         isEmptyTyVarSet, zipTyVarEnv, emptyTyVarEnv
-                       )
-import FiniteMap
-import BasicTypes      ( TopLevelFlag(..) )
-import Unique          ( Unique )
-import Outputable
-import Util
-import List            ( partition )
-\end{code}
+Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
 
 
+       class H x y | x->y where ...
+       
+       T = c->c
+       C = (H c d)
 
 
-%************************************************************************
-%*                                                                     *
-\subsection[tcSimplify-main]{Main entry function}
-%*                                                                     *
-%************************************************************************
+  If we used fv(T) = {c} we'd get the type
 
 
-The main wrapper is @tcSimplify@.  It just calls @tcSimpl@, but with
-the ``don't-squash-consts'' flag set depending on top-level ness.  For
-top level defns we *do* squash constants, so that they stay local to a
-single defn.  This makes things which are inlined more likely to be
-exportable, because their constants are "inside".  Later passes will
-float them out if poss, after inlinings are sorted out.
+       forall c. H c d => c -> b
 
 
-\begin{code}
-tcSimplify
-       :: SDoc 
-       -> TopLevelFlag
-       -> TcTyVarSet s                 -- ``Local''  type variables
-                                       -- ASSERT: this tyvar set is already zonked
-       -> LIE s                        -- Wanted
-       -> TcM s (LIE s,                        -- Free
-                 TcDictBinds s,                -- Bindings
-                 LIE s)                        -- Remaining wanteds; no dups
+  And then if the fn was called at several different c's, each of 
+  which fixed d differently, we'd get a unification error, because
+  d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
+  everything that might be influenced by c.
 
 
-tcSimplify str top_lvl local_tvs wanted_lie
-  = reduceContext str try_me [] wanteds                `thenTc` \ (binds, frees, irreds) ->
+Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
+all the functional dependencies yet:
 
 
-       -- Check for non-generalisable insts
-    let
-       cant_generalise = filter (not . instCanBeGeneralised) irreds
-    in
-    checkTc (null cant_generalise)
-           (genCantGenErr cant_generalise)     `thenTc_`
+       class H x y | x->y where ...
+       instance H x y => Eq (T x y) where ...
 
 
-        -- Finished
-    returnTc (mkLIE frees, binds, mkLIE irreds)
-  where
-    wanteds = bagToList wanted_lie
-
-    try_me inst 
-      -- Does not constrain a local tyvar
-      | isEmptyTyVarSet (tyVarsOfInst inst `intersectTyVarSets` local_tvs)
-      = -- if is_top_level then
-       --   FreeIfTautological           -- Special case for inference on 
-       --                                -- top-level defns
-       -- else
-       Free
-
-      -- We're infering (not checking) the type, and 
-      -- the inst constrains a local type variable
-      | isDict inst  = DontReduce              -- Dicts
-      | otherwise    = ReduceMe AddToIrreds    -- Lits and Methods
-\end{code}
+       T = c->c
+       C = (Eq (T c d))
 
 
-@tcSimplifyAndCheck@ is similar to the above, except that it checks
-that there is an empty wanted-set at the end.  It may still return
-some of constant insts, which have to be resolved finally at the end.
+  Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
+  apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
 
 
-\begin{code}
-tcSimplifyAndCheck
-        :: SDoc 
-        -> TcTyVarSet s                -- ``Local''  type variables
-                                       -- ASSERT: this tyvar set is already zonked
-        -> LIE s                       -- Given; constrain only local tyvars
-        -> LIE s                       -- Wanted
-        -> TcM s (LIE s,               -- Free
-                  TcDictBinds s)       -- Bindings
 
 
-tcSimplifyAndCheck str local_tvs given_lie wanted_lie
-  = reduceContext str try_me givens wanteds    `thenTc` \ (binds, frees, irreds) ->
+There really isn't any point in quantifying over any more than
+grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
+any other type variables.
 
 
-       -- Complain about any irreducible ones
-    mapNF_Tc complain irreds   `thenNF_Tc_`
 
 
-       -- Done
-    returnTc (mkLIE frees, binds)
-  where
-    givens  = bagToList given_lie
-    wanteds = bagToList wanted_lie
 
 
-    try_me inst 
-      -- Does not constrain a local tyvar
-      | isEmptyTyVarSet (tyVarsOfInst inst `intersectTyVarSets` local_tvs)
-      = Free
+       --------------------------------------  
+               Notes on ambiguity  
+       --------------------------------------  
 
 
-      -- When checking against a given signature we always reduce
-      -- until we find a match against something given, or can't reduce
-      | otherwise
-      = ReduceMe AddToIrreds
+It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
 
 
-    complain dict = mapNF_Tc zonkInst givens   `thenNF_Tc` \ givens ->
-                   addNoInstanceErr str givens dict
-\end{code}
+       class K x
+       class H x y | x -> y
+       instance H x y => K (x,y)
 
 
+Is this type ambiguous?
+       forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
 
 
-%************************************************************************
-%*                                                                     *
-\subsection{Data types for the reduction mechanism}
-%*                                                                     *
-%************************************************************************
+Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
+now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
+without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
+the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
 
 
-The main control over context reduction is here
+Here's another example: is this ambiguous?
+       forall a b. Eq (T b) => a -> a
+Not if there's an insance decl (with no context)
+       instance Eq (T b) where ...
 
 
-\begin{code}
-data WhatToDo 
- = ReduceMe              -- Try to reduce this
-       NoInstanceAction  -- What to do if there's no such instance
+You may say of this example that we should use the instance decl right
+away, but you can't always do that:
 
 
- | DontReduce            -- Return as irreducible
+       class J a b where ...
+       instance J Int b where ...
 
 
- | Free                          -- Return as free
+       f :: forall a b. J a b => a -> a
 
 
- | FreeIfTautological    -- Return as free iff it's tautological; 
-                         -- if not, return as irreducible
+(Notice: no functional dependency in J's class decl.)
+Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
+It's premature to complain when meeting f's signature, or even
+when inferring a type for f.
 
 
-data NoInstanceAction
-  = Stop               -- Fail; no error message
-                       -- (Only used when tautology checking.)
 
 
-  | AddToIrreds                -- Just add the inst to the irreductible ones; don't 
-                       -- produce an error message of any kind.
-                       -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
-\end{code}
 
 
+However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
+show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
+treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
 
 
+So heres the plan.  We WARN about probable ambiguity if
 
 
-\begin{code}
-type RedState s
-  = (Avails s,         -- What's available
-     [Inst s],         -- Insts for which try_me returned Free
-     [Inst s]          -- Insts for which try_me returned DontReduce
-    )
-
-type Avails s = FiniteMap (Inst s) (Avail s)
-
-data Avail s
-  = Avail
-       (TcIdOcc s)     -- The "main Id"; that is, the Id for the Inst that 
-                       -- caused this avail to be put into the finite map in the first place
-                       -- It is this Id that is bound to the RHS.
-
-       (RHS s)         -- The RHS: an expression whose value is that Inst.
-                       -- The main Id should be bound to this RHS
-
-       [TcIdOcc s]     -- Extra Ids that must all be bound to the main Id.
-                       -- At the end we generate a list of bindings
-                       --       { i1 = main_id; i2 = main_id; i3 = main_id; ... }
-
-data RHS s
-  = NoRhs              -- Used for irreducible dictionaries,
-                       -- which are going to be lambda bound, or for those that are
-                       -- suppplied as "given" when checking againgst a signature.
-                       --
-                       -- NoRhs is also used for Insts like (CCallable f)
-                       -- where no witness is required.
+       fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
 
 
-  | Rhs                -- Used when there is a RHS 
-       (TcExpr s)       
-       Bool            -- True => the RHS simply selects a superclass dictionary
-                       --         from a subclass dictionary.
-                       -- False => not so.  
-                       -- This is useful info, because superclass selection
-                       -- is cheaper than building the dictionary using its dfun,
-                       -- and we can sometimes replace the latter with the former
-
-  | PassiveScSel       -- Used for as-yet-unactivated RHSs.  For example suppose we have
-                       -- an (Ord t) dictionary; then we put an (Eq t) entry in
-                       -- the finite map, with an PassiveScSel.  Then if the
-                       -- the (Eq t) binding is ever *needed* we make it an Rhs
-       (TcExpr s)
-       [Inst s]        -- List of Insts that are free in the RHS.
-                       -- If the main Id is subsequently needed, we toss this list into
-                       -- the needed-inst pool so that we make sure their bindings
-                       -- will actually be produced.
-                       --
-                       -- Invariant: these Insts are already in the finite mapping
-
-
-pprAvails avails = vcat (map pp (eltsFM avails))
-  where
-    pp (Avail main_id rhs ids)
-      = ppr main_id <> colon <+> brackets (ppr ids) <+> pprRhs rhs
+(all tested before quantification).
+That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
+in the environment, or by the variables in the type.  
 
 
-pprRhs NoRhs = text "<no rhs>"
-pprRhs (Rhs rhs b) = ppr rhs
-pprRhs (PassiveScSel rhs is) = text "passive" <+> ppr rhs
-\end{code}
+Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
+
+       class J a b c | a b -> c
+       fv(G) = {a}
+
+Is this ambiguous?
+       forall b c. (J a b c) => b -> b
+
+Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
+do we see that c is fixed.  
+
+It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we 
+don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
+the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
+only issue a warning.
+
+
+Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
+
+       c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
+
+then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's 
+certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
+the nasty example?
+
+       class K x
+       class H x y | x -> y
+       instance H x y => K (x,y)
+
+Is this type ambiguous?
+       forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
+
+Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
+is a "bubble" that's a set of constraints
+
+       Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
+
+Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
+by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
+Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
+The definitely-ambigous can then float out, and get smashed at top level
+(which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
+
+
+       --------------------------------------  
+               Notes on implicit parameters
+       --------------------------------------  
+
+Consider
+
+       f x = ...?y...
+
+Then we get an LIE like (?y::Int).  Doesn't constrain a type variable,
+but we must nevertheless infer a type like
 
 
+       f :: (?y::Int) => Int -> Int
 
 
+so that f is passed the value of y at the call site.  Is this legal?
+       
+       f :: Int -> Int
+       f x = x + ?y
+
+Should f be overloaded on "?y" ?  Or does the type signature say that it
+shouldn't be?  Our position is that it should be illegal.  Otherwise
+you can change the *dynamic* semantics by adding a type signature:
+
+       (let f x = x + ?y       -- f :: (?y::Int) => Int -> Int
+        in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
+
+               returns (3+6, 3+5)
+vs
+       (let f :: Int -> Int 
+           f x = x + ?y
+        in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
+
+               returns (3+6, 3+6)
+
+URK!  Let's not do this. So this is illegal:
+
+       f :: Int -> Int
+       f x = x + ?y
+
+BOTTOM LINE: you *must* quantify over implicit parameters.
+
+
+       --------------------------------------  
+               Notes on principal types
+       --------------------------------------  
+
+    class C a where
+      op :: a -> a
+    
+    f x = let g y = op (y::Int) in True
+
+Here the principal type of f is (forall a. a->a)
+but we'll produce the non-principal type
+    f :: forall a. C Int => a -> a
+
+       
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
-\subsection[reduce]{@reduce@}
+\subsection{tcSimplifyInfer}
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
-The main entry point for context reduction is @reduceContext@:
+tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
+
+    1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
+    
+    2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous 
+       predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
+    
+    3. Try improvement, using functional dependencies
+    
+    4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
+       (Unification can change the result of 'grow'.)
+
+Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
+Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different 
+after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
+type variables than we absolutely have to.
+
+For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
+improvement with unification.  E.g. Suppose we have
+
+       class C x y | x->y where ...
+    
+and tcSimplify is called with:
+       (C Int a, C Int b)
+Then improvement unifies a with b, giving
+       (C Int a, C Int a)
+
+If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
+again. 
+
 
 \begin{code}
 
 \begin{code}
-reduceContext :: SDoc -> (Inst s -> WhatToDo)
-             -> [Inst s]       -- Given
-             -> [Inst s]       -- Wanted
-             -> TcM s (TcDictBinds s, 
-                       [Inst s],               -- Free
-                       [Inst s])               -- Irreducible
-
-reduceContext str try_me givens wanteds
-  =     -- Zonking first
-    mapNF_Tc zonkInst givens   `thenNF_Tc` \ givens ->
-    mapNF_Tc zonkInst wanteds  `thenNF_Tc` \ wanteds ->
-
-{-
-    pprTrace "reduceContext" (vcat [
-            text "----------------------",
-            str,
-            text "given" <+> ppr givens,
-            text "wanted" <+> ppr wanteds,
-            text "----------------------"
-            ]) $
--}
+tcSimplifyInfer
+       :: SDoc 
+       -> [TcTyVar]            -- fv(T); type vars 
+       -> LIE                  -- Wanted
+       -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
+               LIE,            -- Free
+               TcDictBinds,    -- Bindings
+               [TcId])         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
+\end{code}
 
 
-        -- Build the Avail mapping from "givens"
-    foldlNF_Tc addGiven emptyFM givens         `thenNF_Tc` \ avails ->
 
 
-        -- Do the real work
-    reduce try_me wanteds (avails, [], [])     `thenTc` \ (avails, frees, irreds) ->
+\begin{code}
+tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted_lie
+  = inferLoop doc tau_tvs (lieToList wanted_lie)       `thenTc` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
+
+       -- Check for non-generalisable insts
+    mapTc_ addCantGenErr (filter (not . instCanBeGeneralised) irreds)  `thenTc_`
+
+    returnTc (qtvs, mkLIE frees, binds, map instToId irreds)
 
 
-       -- Extract the bindings from avails
+inferLoop doc tau_tvs wanteds
+  =    -- Step 1
+    zonkTcTyVarsAndFV tau_tvs          `thenNF_Tc` \ tau_tvs' ->
+    mapNF_Tc zonkInst wanteds          `thenNF_Tc` \ wanteds' ->
+    tcGetGlobalTyVars                  `thenNF_Tc` \ gbl_tvs ->
     let
     let
-       binds = foldFM add_bind EmptyMonoBinds avails
-
-       add_bind _ (Avail main_id rhs ids) binds
-         = foldr add_synonym (add_rhs_bind rhs binds) ids
-        where
-          add_rhs_bind (Rhs rhs _) binds = binds `AndMonoBinds` VarMonoBind main_id rhs 
-          add_rhs_bind other       binds = binds
-
-          -- Add the trivial {x = y} bindings
-          -- The main Id can end up in the list when it's first added passively
-          -- and then activated, so we have to filter it out.  A bit of a hack.
-          add_synonym id binds
-            | id /= main_id = binds `AndMonoBinds` VarMonoBind id (HsVar main_id)
-            | otherwise     = binds
+       preds = predsOfInsts wanteds'
+       qtvs  = grow preds tau_tvs' `minusVarSet` oclose preds gbl_tvs
+       
+       try_me inst     
+         | isFree qtvs inst  = Free
+         | isClassDict inst  = DontReduceUnlessConstant        -- Dicts
+         | otherwise         = ReduceMe                        -- Lits and Methods
     in
     in
-{-
-    pprTrace ("reduceContext1") (vcat [
-            text "----------------------",
-            str,
-            text "given" <+> ppr givens,
-            text "wanted" <+> ppr wanteds,
-            text "----", 
-            pprAvails avails,
-            text "----------------------"
-            ]) $
--}
-    returnTc (binds, frees, irreds)
-\end{code}
-
-The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
+               -- Step 2
+    reduceContext doc try_me [] wanteds'    `thenTc` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
+       
+               -- Step 3
+    if no_improvement then
+       returnTc (varSetElems qtvs, frees, binds, irreds)
+    else
+       -- If improvement did some unification, we go round again.  There
+       -- are two subtleties:
+       --   a) We start again with irreds, not wanteds
+       --      Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
+       --      which might have been unified, so we'd get an infinite loop
+       --      if we started again with wanteds!  See example [LOOP]
+       --
+       --   b) It's also essential to re-process frees, because unification
+       --      might mean that a type variable that looked free isn't now.
+       --
+       -- Hence the (irreds ++ frees)
+
+       inferLoop doc tau_tvs (irreds ++ frees) `thenTc` \ (qtvs1, frees1, binds1, irreds1) ->
+       returnTc (qtvs1, frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
+\end{code}     
+
+Example [LOOP]
+
+       class If b t e r | b t e -> r
+       instance If T t e t
+       instance If F t e e
+       class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
+       instance Lte Z b T
+       instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
+
+Wanted:        Max Z (S x) y
+
+Then we'll reduce using the Max instance to:
+       (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
+and improve by binding l->T, after which we can do some reduction 
+on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
+with (Max Z (S x) y)!
 
 \begin{code}
 
 \begin{code}
-reduce :: (Inst s -> WhatToDo)
-       -> [Inst s]
-       -> RedState s
-       -> TcM s (RedState s)
+isFree qtvs inst
+  =  not (tyVarsOfInst inst `intersectsVarSet` qtvs)   -- Constrains no quantified vars
+  && all inheritablePred (predsOfInst inst)            -- And no implicit parameter involved
+                                                       -- (see "Notes on implicit parameters")
 \end{code}
 
 \end{code}
 
-@reduce@ is passed
-     try_me:   given an inst, this function returns
-                 Reduce       reduce this
-                 DontReduce   return this in "irreds"
-                 Free         return this in "frees"
 
 
-     wanteds:  The list of insts to reduce
-     state:    An accumulating parameter of type RedState 
-               that contains the state of the algorithm
-
-  It returns a RedState.
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{tcSimplifyCheck}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
 
 
+@tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
+we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
 
 \begin{code}
 
 \begin{code}
-    -- Base case: we're done!
-reduce try_me [] state = returnTc state
+tcSimplifyCheck
+        :: SDoc 
+        -> [TcTyVar]           -- Quantify over these
+        -> [Inst]              -- Given
+        -> LIE                 -- Wanted
+        -> TcM (LIE,           -- Free
+                TcDictBinds)   -- Bindings
 
 
-reduce try_me (wanted:wanteds) state@(avails, frees, irreds)
+tcSimplifyCheck doc qtvs givens wanted_lie
+  = checkLoop doc qtvs givens (lieToList wanted_lie) try `thenTc` \ (frees, binds, irreds) ->
 
 
-    -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
-  | wanted `elemFM` avails
-  = reduce try_me wanteds (activate avails wanted, frees, irreds)
-
-    -- It should be reduced
-  | case try_me_result of { ReduceMe _ -> True; _ -> False }
-  = lookupInst wanted        `thenNF_Tc` \ lookup_result ->
-
-    case lookup_result of
-      GenInst wanteds' rhs -> use_instance wanteds' rhs
-      SimpleInst rhs       -> use_instance []       rhs
-
-      NoInstance ->    -- No such instance! 
-                      -- Decide what to do based on the no_instance_action requested
-                case no_instance_action of
-                  Stop        -> failTc        -- Fail
-                  AddToIrreds -> add_to_irreds -- Add the offending insts to the irreds
-
-    -- It's free and this isn't a top-level binding, so just chuck it upstairs
-  | case try_me_result of { Free -> True; _ -> False }
-  =     -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
-    lookupInst wanted    `thenNF_Tc` \ lookup_result ->
-    case lookup_result of
-       SimpleInst rhs -> use_instance [] rhs
-       other         -> add_to_frees
-
-    -- It's free and this is a top level binding, so
-    -- check whether it's a tautology or not
-  | case try_me_result of { FreeIfTautological -> True; _ -> False }
-  =     -- Try for tautology
-    tryTc 
-         -- If tautology trial fails, add to irreds
-         (addGiven avails wanted      `thenNF_Tc` \ avails' ->
-          returnTc (avails', frees, wanted:irreds))
-
-         -- If tautology succeeds, just add to frees
-         (reduce try_me_taut [wanted] (avails, [], [])         `thenTc_`
-          returnTc (avails, wanted:frees, irreds))
-                                                               `thenTc` \ state' ->
-    reduce try_me wanteds state'
-
-
-    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
-  | otherwise
-  = ASSERT( case try_me_result of { DontReduce -> True; other -> False } )
-        -- See if the inst can be reduced to a constant in one step
-    lookupInst wanted    `thenNF_Tc` \ lookup_result ->
-    case lookup_result of
-       SimpleInst rhs -> use_instance [] rhs
-       other          -> add_to_irreds
+       -- Complain about any irreducible ones
+    complainCheck doc givens irreds            `thenNF_Tc_`
 
 
+       -- Done
+    returnTc (mkLIE frees, binds)
   where
   where
-       -- The three main actions
-    add_to_frees  = reduce try_me wanteds (avails, wanted:frees, irreds)
+       -- When checking against a given signature we always reduce
+       -- until we find a match against something given, or can't reduce
+    try qtvs inst | isFree qtvs inst  = Free
+                 | otherwise         = ReduceMe 
 
 
-    add_to_irreds = addGiven avails wanted             `thenNF_Tc` \ avails' ->
-                   reduce try_me wanteds (avails',  frees, wanted:irreds)
+tcSimplifyRestricted doc qtvs givens wanted_lie
+  = checkLoop doc qtvs givens (lieToList wanted_lie) try `thenTc` \ (frees, binds, irreds) ->
 
 
-    use_instance wanteds' rhs = addWanted avails wanted rhs    `thenNF_Tc` \ avails' ->
-                               reduce try_me (wanteds' ++ wanteds) (avails', frees, irreds)
+       -- Complain about any irreducible ones
+    complainCheck doc givens irreds            `thenNF_Tc_`
 
 
+       -- Done
+    returnTc (mkLIE frees, binds)
+  where
+    try qtvs inst | not (tyVarsOfInst inst `intersectsVarSet` qtvs) = Free
+                 | otherwise                                       = ReduceMe
 
 
-    try_me_result              = try_me wanted
-    ReduceMe no_instance_action = try_me_result
+checkLoop doc qtvs givens wanteds try_me
+  =            -- Step 1
+    zonkTcTyVarsAndFV qtvs             `thenNF_Tc` \ qtvs' ->
+    mapNF_Tc zonkInst givens           `thenNF_Tc` \ givens' ->
+    mapNF_Tc zonkInst wanteds          `thenNF_Tc` \ wanteds' ->
 
 
-    -- The try-me to use when trying to identify tautologies
-    -- It blunders on reducing as much as possible
-    try_me_taut inst = ReduceMe Stop   -- No error recovery
-\end{code}
+               -- Step 2
+    reduceContext doc (try_me qtvs') givens' wanteds'          `thenTc` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
+       
+               -- Step 3
+    if no_improvement then
+       returnTc (frees, binds, irreds)
+    else
+       checkLoop doc qtvs givens' (irreds ++ frees) try_me     `thenTc` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
+       returnTc (frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
 
 
+complainCheck doc givens irreds
+  = mapNF_Tc zonkInst given_dicts                      `thenNF_Tc` \ givens' ->
+    mapNF_Tc (addNoInstanceErr doc given_dicts) irreds `thenNF_Tc_`
+    returnTc ()
+  where
+    given_dicts = filter isDict givens
+       -- Filter out methods, which are only added to 
+       -- the given set as an optimisation
+\end{code}
 
 
-\begin{code}
-activate :: Avails s -> Inst s -> Avails s
-        -- Activate the binding for Inst, ensuring that a binding for the
-        -- wanted Inst will be generated.
-        -- (Activate its parent if necessary, recursively).
-        -- Precondition: the Inst is in Avails already
 
 
-activate avails wanted
-  | not (instBindingRequired wanted) 
-  = avails
 
 
-  | otherwise
-  = case lookupFM avails wanted of
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{tcSimplifyAndCheck}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
 
 
-      Just (Avail main_id (PassiveScSel rhs insts) ids) ->
-              foldl activate avails' insts      -- Activate anything it needs
-            where
-              avails' = addToFM avails wanted avail'
-              avail'  = Avail main_id (Rhs rhs True) (wanted_id : ids) -- Activate it
+@tcSimplifyInferCheck@ is used when we know the consraints we are to simplify
+against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
+This happens when we have a type signature for a mutually recursive
+group.
 
 
-      Just (Avail main_id other_rhs ids) -> -- Just add to the synonyms list
-              addToFM avails wanted (Avail main_id other_rhs (wanted_id : ids))
+\begin{code}
+tcSimplifyInferCheck
+        :: SDoc 
+        -> [TcTyVar]           -- fv(T)
+        -> [Inst]              -- Given
+        -> LIE                 -- Wanted
+        -> TcM ([TcTyVar],     -- Variables over which to quantify
+                LIE,           -- Free
+                TcDictBinds)   -- Bindings
 
 
-      Nothing -> panic "activate"
-  where
-      wanted_id = instToId wanted
-    
-addWanted avails wanted rhs_expr
-  = ASSERT( not (wanted `elemFM` avails) )
-    returnNF_Tc (addToFM avails wanted avail)
-       -- NB: we don't add the thing's superclasses too!
-       -- Why not?  Because addWanted is used when we've successfully used an
-       -- instance decl to reduce something; e.g.
-       --      d:Ord [a] = dfunOrd (d1:Eq [a]) (d2:Ord a)
-       -- Note that we pass the superclasses to the dfun, so they will be "wanted".
-       -- If we put the superclasses of "d" in avails, then we might end up
-       -- expressing "d1" in terms of "d", which would be a disaster.
-  where
-    avail = Avail (instToId wanted) rhs []
-
-    rhs | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr False      -- Not superclass selection
-       | otherwise                  = NoRhs
-
-addGiven :: Avails s -> Inst s -> NF_TcM s (Avails s)
-addGiven avails given
-  =     -- ASSERT( not (given `elemFM` avails) )
-        -- This assertion isn' necessarily true.  It's permitted
-        -- to given a redundant context in a type signature (eg (Ord a, Eq a) => ...)
-        -- and when typechecking instance decls we generate redundant "givens" too.
-    addAvail avails given avail
-  where
-    avail = Avail (instToId given) NoRhs []
+tcSimplifyInferCheck doc tau_tvs givens wanted
+  = inferCheckLoop doc tau_tvs givens (lieToList wanted)       `thenTc` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
 
 
-addAvail avails wanted avail
-  = addSuperClasses (addToFM avails wanted avail) wanted
+       -- Complain about any irreducible ones
+    complainCheck doc givens irreds            `thenNF_Tc_`
 
 
-addSuperClasses :: Avails s -> Inst s -> NF_TcM s (Avails s)
-               -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
-               -- Invariant: the Inst is already in Avails.
+       -- Done
+    returnTc (qtvs, mkLIE frees, binds)
 
 
-addSuperClasses avails dict
-  | not (isDict dict)
-  = returnNF_Tc avails
+inferCheckLoop doc tau_tvs givens wanteds
+  =    -- Step 1
+    zonkTcTyVarsAndFV tau_tvs          `thenNF_Tc` \ tau_tvs' ->
+    mapNF_Tc zonkInst givens           `thenNF_Tc` \ givens' ->
+    mapNF_Tc zonkInst wanteds          `thenNF_Tc` \ wanteds' ->
+    tcGetGlobalTyVars                  `thenNF_Tc` \ gbl_tvs ->
 
 
-  | otherwise  -- It is a dictionary
-  = tcInstTheta env sc_theta           `thenNF_Tc` \ sc_theta' ->
-    foldlNF_Tc add_sc avails (zipEqual "addSuperClasses" sc_theta' sc_sels)
-  where
-    (clas, tys) = getDictClassTys dict
-    
-    (tyvars, sc_theta, sc_sels, _, _) = classBigSig clas
-    env       = zipTyVarEnv tyvars tys
-
-    add_sc avails ((super_clas, super_tys), sc_sel)
-      = newDictFromOld dict super_clas super_tys       `thenNF_Tc` \ super_dict ->
-        let
-          sc_sel_rhs = DictApp (TyApp (HsVar (RealId sc_sel)) 
-                                      tys)
-                               [instToId dict]
-       in
-        case lookupFM avails super_dict of
-
-            Just (Avail main_id (Rhs rhs False {- not sc selection -}) ids) ->
-                 -- Already there, but not as a superclass selector
-                 -- No need to look at its superclasses; since it's there
-                 --    already they must be already in avails
-                 -- However, we must remember to activate the dictionary
-                 -- from which it is (now) generated
-                 returnNF_Tc (activate avails' dict)
-               where
-                 avails' = addToFM avails super_dict avail
-                 avail   = Avail main_id (Rhs sc_sel_rhs True) ids     -- Superclass selection
+    let
+       -- Figure out what we are going to generalise over
+       -- You might think it should just be the signature tyvars,
+       -- but in bizarre cases you can get extra ones
+       --      f :: forall a. Num a => a -> a
+       --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
+       --      g a b = (b,a)
+       -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
+       -- We don't want g to be monomorphic in b just because
+       -- f isn't quantified over b.
+       qtvs    = (tau_tvs' `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens') `minusVarSet` gbl_tvs
+                       -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
+                       -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which 
+                       -- dictionaries, we quantify over
+
+             -- When checking against a given signature we always reduce
+             -- until we find a match against something given, or can't reduce
+       try_me inst | isFree qtvs inst  = Free
+                   | otherwise         = ReduceMe 
+    in
+               -- Step 2
+    reduceContext doc try_me givens' wanteds'    `thenTc` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
        
        
-            Just (Avail _ _ _) -> returnNF_Tc avails
-                 -- Already there; no need to do anything
-
-            Nothing ->
-                 -- Not there at all, so add it, and its superclasses
-                 addAvail avails super_dict avail
-               where
-                 avail   = Avail (instToId super_dict) 
-                                 (PassiveScSel sc_sel_rhs [dict])
-                                 []
+               -- Step 3
+    if no_improvement then
+       returnTc (varSetElems qtvs, frees, binds, irreds)
+    else
+       inferCheckLoop doc tau_tvs givens' (irreds ++ frees)    `thenTc` \ (qtvs1, frees1, binds1, irreds1) ->
+       returnTc (qtvs1, frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
 \end{code}
 
 \end{code}
 
+
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
-\subsection[simple]{@Simple@ versions}
+\subsection{tcSimplifyToDicts}
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
-Much simpler versions when there are no bindings to make!
+On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
+getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
+as the available stuff for the RHS of the rule.
 
 
-@tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
-@deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
-only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
+The same thing is used for specialise pragmas. Consider
+       
+       f :: Num a => a -> a
+       {-# SPECIALISE f :: Int -> Int #-}
+       f = ...
 
 
-It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
-a,b,c are type variables.  This is required for the context of
-instance declarations.
+The type checker generates a binding like:
 
 
-\begin{code}
-tcSimplifyThetas :: (Class -> ClassInstEnv)            -- How to find the ClassInstEnv
-                -> ThetaType                           -- Wanted
-                -> TcM s ThetaType                     -- Needed; of the form C a b c
-                                                       -- where a,b,c are type variables
+       f_spec = (f :: Int -> Int)
 
 
-tcSimplifyThetas inst_mapper wanteds
-  = reduceSimple inst_mapper [] wanteds                `thenNF_Tc` \ irreds ->
-    let
-       -- Check that the returned dictionaries are of the form (C a b c)
-       bad_guys = [ct | ct@(clas,tys) <- irreds, not (all isTyVarTy tys)]
-    in
-    if null bad_guys then
-       returnTc irreds
-    else
-       mapNF_Tc addNoInstErr bad_guys          `thenNF_Tc_`
-       failTc
-\end{code}
+and we want to end up with
 
 
-@tcSimplifyCheckThetas@ just checks class-type constraints, essentially;
-used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
-whether it worked or not.
+       f_spec = _inline_me_ (f Int dNumInt)
 
 
-\begin{code}
-tcSimplifyCheckThetas :: ThetaType     -- Given
-                     -> ThetaType      -- Wanted
-                     -> TcM s ()
+But that means that we must simplify the Method for f to (f Int dNumInt)! 
+So tcSimplifyToDicts squeezes out all Methods.
 
 
-tcSimplifyCheckThetas givens wanteds
-  = reduceSimple classInstEnv givens wanteds    `thenNF_Tc`    \ irreds ->
-    if null irreds then
-       returnTc ()
-    else
-       mapNF_Tc addNoInstErr irreds            `thenNF_Tc_`
-       failTc
-\end{code}
+IMPORTANT NOTE:  we *don't* want to do superclass commoning up.  Consider
 
 
+       fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
+       {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
 
 
-\begin{code}
-type AvailsSimple = FiniteMap (Class, [TauType]) Bool
-                   -- True  => irreducible 
-                   -- False => given, or can be derived from a given or from an irreducible
+Here, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But we *dont* 
+want to get
 
 
-reduceSimple :: (Class -> ClassInstEnv) 
-            -> ThetaType               -- Given
-            -> ThetaType               -- Wanted
-            -> NF_TcM s ThetaType      -- Irreducible
+       forall dIntegralInt.
+       fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
 
 
-reduceSimple inst_mapper givens wanteds
-  = reduce_simple inst_mapper givens_fm wanteds        `thenNF_Tc` \ givens_fm' ->
-    returnNF_Tc [ct | (ct,True) <- fmToList givens_fm']
-  where
-    givens_fm     = foldl addNonIrred emptyFM givens
+because the scsel will mess up matching.  Instead we want
 
 
-reduce_simple :: (Class -> ClassInstEnv) 
-             -> AvailsSimple
-             -> ThetaType
-             -> NF_TcM s AvailsSimple
+       forall dIntegralInt, dNumInt.
+       fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
 
 
-reduce_simple inst_mapper givens [] 
-  =         -- Finished, so pull out the needed ones
-    returnNF_Tc givens
+Hence "DontReduce NoSCs"
 
 
-reduce_simple inst_mapper givens (wanted@(clas,tys) : wanteds)
-  | wanted `elemFM` givens
-  = reduce_simple inst_mapper givens wanteds
+\begin{code}
+tcSimplifyToDicts :: LIE -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
+tcSimplifyToDicts wanted_lie
+  = simpleReduceLoop doc try_me wanteds                `thenTc` \ (frees, binds, irreds) ->
+       -- Since try_me doesn't look at types, we don't need to 
+       -- do any zonking, so it's safe to call reduceContext directly
+    ASSERT( null frees )
+    returnTc (irreds, binds)
 
 
-  | otherwise
-  = lookupSimpleInst (inst_mapper clas) clas tys       `thenNF_Tc` \ maybe_theta ->
+  where
+    doc = text "tcSimplifyToDicts"
+    wanteds = lieToList wanted_lie
 
 
-    case maybe_theta of
-      Nothing ->    reduce_simple inst_mapper (addIrred    givens wanted) wanteds
-      Just theta -> reduce_simple inst_mapper (addNonIrred givens wanted) (theta ++ wanteds)
+       -- Reduce methods and lits only; stop as soon as we get a dictionary
+    try_me inst        | isDict inst = DontReduce NoSCs
+               | otherwise   = ReduceMe
+\end{code}
 
 
-addIrred :: AvailsSimple -> (Class, [TauType]) -> AvailsSimple
-addIrred givens ct
-  = addSCs (addToFM givens ct True) ct
 
 
-addNonIrred :: AvailsSimple -> (Class, [TauType]) -> AvailsSimple
-addNonIrred givens ct
-  = addSCs (addToFM givens ct False) ct
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Filtering at a dynamic binding}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
 
 
-addSCs givens ct@(clas,tys)
- = foldl add givens sc_theta
- where
-   (tyvars, sc_theta_tmpl, _, _, _) = classBigSig clas
-   sc_theta = instantiateThetaTy (zipTyVarEnv tyvars tys) sc_theta_tmpl
+When we have
+       let ?x = R in B
 
 
-   add givens ct = case lookupFM givens ct of
-                          Nothing    -> -- Add it and its superclasses
-                                        addSCs (addToFM givens ct False) ct
+we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
+step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.  No need to iterate, though.
 
 
-                          Just True  -> -- Set its flag to False; superclasses already done
-                                        addToFM givens ct False
+\begin{code}
+tcSimplifyIPs :: [Name]                -- The implicit parameters bound here
+             -> LIE
+             -> TcM (LIE, TcDictBinds)
+tcSimplifyIPs ip_names wanted_lie
+  = simpleReduceLoop doc try_me wanteds        `thenTc` \ (frees, binds, irreds) ->
+       -- The irreducible ones should be a subset of the implicit
+       -- parameters we provided
+    ASSERT( all here_ip irreds )
+    returnTc (mkLIE frees, binds)
+    
+  where
+    doc            = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr ip_names
+    wanteds = lieToList wanted_lie
+    ip_set  = mkNameSet ip_names
+    here_ip ip = isDict ip && ip `instMentionsIPs` ip_set
 
 
-                          Just False -> -- Already done
-                                        givens
-                          
+       -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
+    try_me inst | inst `instMentionsIPs` ip_set = ReduceMe
+               | otherwise                     = Free
 \end{code}
 
 \end{code}
 
+
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
@@ -769,50 +727,466 @@ For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
 
 \begin{code}
 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
 
 \begin{code}
-bindInstsOfLocalFuns ::        LIE s -> [TcIdBndr s] -> TcM s (LIE s, TcMonoBinds s)
+bindInstsOfLocalFuns ::        LIE -> [TcId] -> TcM (LIE, TcMonoBinds)
 
 bindInstsOfLocalFuns init_lie local_ids
 
 bindInstsOfLocalFuns init_lie local_ids
-  = reduceContext (text "bindInsts" <+> ppr local_ids)
-                 try_me [] (bagToList init_lie)        `thenTc` \ (binds, frees, irreds) ->
+  | null overloaded_ids 
+       -- Common case
+  = returnTc (init_lie, EmptyMonoBinds)
+
+  | otherwise
+  = simpleReduceLoop doc try_me wanteds                `thenTc` \ (frees, binds, irreds) -> 
     ASSERT( null irreds )
     returnTc (mkLIE frees, binds)
   where
     ASSERT( null irreds )
     returnTc (mkLIE frees, binds)
   where
-    local_id_set = mkIdSet local_ids   -- There can occasionally be a lot of them
-                                       -- so it's worth building a set, so that 
-                                       -- lookup (in isMethodFor) is faster
-    try_me inst | isMethodFor local_id_set inst = ReduceMe AddToIrreds
-               | otherwise                     = Free
+    doc                     = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
+    wanteds         = lieToList init_lie
+    overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
+    is_overloaded id = case splitSigmaTy (idType id) of
+                         (_, theta, _) -> not (null theta)
+
+    overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids   -- There can occasionally be a lot of them
+                                               -- so it's worth building a set, so that 
+                                               -- lookup (in isMethodFor) is faster
+
+    try_me inst | isMethodFor overloaded_set inst = ReduceMe
+               | otherwise                       = Free
 \end{code}
 
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 \end{code}
 
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
-\section[Disambig]{Disambiguation of overloading}
+\subsection{Data types for the reduction mechanism}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+The main control over context reduction is here
+
+\begin{code}
+data WhatToDo 
+ = ReduceMe            -- Try to reduce this
+                       -- If there's no instance, behave exactly like
+                       -- DontReduce: add the inst to 
+                       -- the irreductible ones, but don't 
+                       -- produce an error message of any kind.
+                       -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
+
+ | DontReduce WantSCs          -- Return as irreducible 
+
+ | DontReduceUnlessConstant    -- Return as irreducible unless it can
+                               -- be reduced to a constant in one step
+
+ | Free                          -- Return as free
+
+data WantSCs = NoSCs | AddSCs  -- Tells whether we should add the superclasses
+                               -- of a predicate when adding it to the avails
+\end{code}
+
+
+
+\begin{code}
+type RedState = (Avails,       -- What's available
+                [Inst])        -- Insts for which try_me returned Free
+
+type Avails = FiniteMap Inst Avail
+
+data Avail
+  = Irred              -- Used for irreducible dictionaries,
+                       -- which are going to be lambda bound
+
+  | BoundTo TcId       -- Used for dictionaries for which we have a binding
+                       -- e.g. those "given" in a signature
+
+  | NoRhs              -- Used for Insts like (CCallable f)
+                       -- where no witness is required.
+
+  | Rhs                -- Used when there is a RHS 
+       TcExpr          -- The RHS
+       [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
+
+pprAvails avails = vcat [ppr inst <+> equals <+> pprAvail avail
+                       | (inst,avail) <- fmToList avails ]
+
+instance Outputable Avail where
+    ppr = pprAvail
+
+pprAvail NoRhs       = text "<no rhs>"
+pprAvail Irred       = text "Irred"
+pprAvail (BoundTo x)  = text "Bound to" <+> ppr x
+pprAvail (Rhs rhs bs) = ppr rhs <+> braces (ppr bs)
+\end{code}
+
+Extracting the bindings from a bunch of Avails.
+The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
+We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
+dependency analyser can sort them out later
+
+The loop startes
+\begin{code}
+bindsAndIrreds :: Avails
+              -> [Inst]                -- Wanted
+              -> (TcDictBinds,         -- Bindings
+                  [Inst])              -- Irreducible ones
+
+bindsAndIrreds avails wanteds
+  = go avails EmptyMonoBinds [] wanteds
+  where
+    go avails binds irreds [] = (binds, irreds)
+
+    go avails binds irreds (w:ws)
+      = case lookupFM avails w of
+         Nothing    -> -- Free guys come out here
+                       -- (If we didn't do addFree we could use this as the
+                       --  criterion for free-ness, and pick up the free ones here too)
+                       go avails binds irreds ws
+
+         Just NoRhs -> go avails binds irreds ws
+
+         Just Irred -> go (addToFM avails w (BoundTo (instToId w))) binds (w:irreds) ws
+
+         Just (BoundTo id) -> go avails new_binds irreds ws
+                           where
+                               -- For implicit parameters, all occurrences share the same
+                               -- Id, so there is no need for synonym bindings
+                              new_binds | new_id == id = binds
+                                        | otherwise    = addBind binds new_id (HsVar id)
+                              new_id   = instToId w
+
+         Just (Rhs rhs ws') -> go avails' (addBind binds id rhs) irreds (ws' ++ ws)
+                            where
+                               id       = instToId w
+                               avails'  = addToFM avails w (BoundTo id)
+
+addBind binds id rhs = binds `AndMonoBinds` VarMonoBind id rhs
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection[reduce]{@reduce@}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+When the "what to do" predicate doesn't depend on the quantified type variables,
+matters are easier.  We don't need to do any zonking, unless the improvement step
+does something, in which case we zonk before iterating.
+
+The "given" set is always empty.
+
+\begin{code}
+simpleReduceLoop :: SDoc
+                -> (Inst -> WhatToDo)          -- What to do, *not* based on the quantified type variables
+                -> [Inst]                      -- Wanted
+                -> TcM ([Inst],                -- Free
+                        TcDictBinds,
+                        [Inst])                -- Irreducible
+
+simpleReduceLoop doc try_me wanteds
+  = mapNF_Tc zonkInst wanteds                  `thenNF_Tc` \ wanteds' ->
+    reduceContext doc try_me [] wanteds'       `thenTc` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
+    if no_improvement then
+       returnTc (frees, binds, irreds)
+    else
+       simpleReduceLoop doc try_me (irreds ++ frees)   `thenTc` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
+       returnTc (frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
+\end{code}     
+
+
+
+\begin{code}
+reduceContext :: SDoc
+             -> (Inst -> WhatToDo)
+             -> [Inst]                 -- Given
+             -> [Inst]                 -- Wanted
+             -> NF_TcM (Bool,          -- True <=> improve step did no unification
+                        [Inst],        -- Free
+                        TcDictBinds,   -- Dictionary bindings
+                        [Inst])        -- Irreducible
+
+reduceContext doc try_me givens wanteds
+  =
+    traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
+            text "----------------------",
+            doc,
+            text "given" <+> ppr givens,
+            text "wanted" <+> ppr wanteds,
+            text "----------------------"
+            ]))                                        `thenNF_Tc_`
+
+        -- Build the Avail mapping from "givens"
+    foldlNF_Tc addGiven (emptyFM, []) givens           `thenNF_Tc` \ init_state ->
+
+        -- Do the real work
+    reduceList (0,[]) try_me wanteds init_state                `thenNF_Tc` \ state@(avails, frees) ->
+
+       -- Do improvement, using everything in avails
+       -- In particular, avails includes all superclasses of everything
+    tcImprove avails                                   `thenTc` \ no_improvement ->
+
+    traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
+            text "----------------------",
+            doc,
+            text "given" <+> ppr givens,
+            text "wanted" <+> ppr wanteds,
+            text "----", 
+            text "avails" <+> pprAvails avails,
+            text "frees" <+> ppr frees,
+            text "no_improvement =" <+> ppr no_improvement,
+            text "----------------------"
+            ]))                                        `thenNF_Tc_`
+     let
+       (binds, irreds) = bindsAndIrreds avails wanteds
+     in
+     returnTc (no_improvement, frees, binds, irreds)
+
+tcImprove avails
+ =  tcGetInstEnv                               `thenTc` \ inst_env ->
+    let
+       preds = predsOfInsts (keysFM avails)
+               -- Avails has all the superclasses etc (good)
+               -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
+               -- It does not have duplicates (good)
+               -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
+               --    so that improve will see them separate
+       eqns  = improve (classInstEnv inst_env) preds
+     in
+     if null eqns then
+       returnTc True
+     else
+       traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map ppr_eqn eqns))    `thenNF_Tc_`
+        mapTc_ unify eqns      `thenTc_`
+       returnTc False
+  where
+    unify (qtvs, t1, t2) = tcInstTyVars (varSetElems qtvs)     `thenNF_Tc` \ (_, _, tenv) ->
+                          unifyTauTy (substTy tenv t1) (substTy tenv t2)
+    ppr_eqn (qtvs, t1, t2) = ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)) <+>
+                            ppr t1 <+> equals <+> ppr t2
+\end{code}
+
+The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
+
+\begin{code}
+reduceList :: (Int,[Inst])             -- Stack (for err msgs)
+                                       -- along with its depth
+                  -> (Inst -> WhatToDo)
+                  -> [Inst]
+                  -> RedState
+                  -> TcM RedState
+\end{code}
+
+@reduce@ is passed
+     try_me:   given an inst, this function returns
+                 Reduce       reduce this
+                 DontReduce   return this in "irreds"
+                 Free         return this in "frees"
+
+     wanteds:  The list of insts to reduce
+     state:    An accumulating parameter of type RedState 
+               that contains the state of the algorithm
+  It returns a RedState.
+
+The (n,stack) pair is just used for error reporting.  
+n is always the depth of the stack.
+The stack is the stack of Insts being reduced: to produce X
+I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
+
+\begin{code}
+reduceList (n,stack) try_me wanteds state
+  | n > opt_MaxContextReductionDepth
+  = failWithTc (reduceDepthErr n stack)
+
+  | otherwise
+  =
+#ifdef DEBUG
+   (if n > 8 then
+       pprTrace "Jeepers! ReduceContext:" (reduceDepthMsg n stack)
+    else (\x->x))
+#endif
+    go wanteds state
+  where
+    go []     state = returnTc state
+    go (w:ws) state = reduce (n+1, w:stack) try_me w state     `thenTc` \ state' ->
+                     go ws state'
+
+    -- Base case: we're done!
+reduce stack try_me wanted state
+    -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
+  | isAvailable state wanted
+  = returnTc state
+
+  | otherwise
+  = case try_me wanted of {
+
+      DontReduce want_scs -> addIrred want_scs state wanted
+
+    ; DontReduceUnlessConstant ->    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
+                                    -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
+       try_simple (addIrred AddSCs)    -- Assume want superclasses
+
+    ; Free ->  -- It's free so just chuck it upstairs
+               -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
+       try_simple addFree
+
+    ; ReduceMe ->              -- It should be reduced
+       lookupInst wanted             `thenNF_Tc` \ lookup_result ->
+       case lookup_result of
+           GenInst wanteds' rhs -> reduceList stack try_me wanteds' state      `thenTc` \ state' -> 
+                                   addWanted state' wanted rhs wanteds'
+           SimpleInst rhs       -> addWanted state wanted rhs []
+
+           NoInstance ->    -- No such instance! 
+                            -- Add it and its superclasses
+                            addIrred AddSCs state wanted
+
+    }
+  where
+    try_simple do_this_otherwise
+      = lookupInst wanted        `thenNF_Tc` \ lookup_result ->
+       case lookup_result of
+           SimpleInst rhs -> addWanted state wanted rhs []
+           other          -> do_this_otherwise state wanted
+\end{code}
+
+
+\begin{code}
+isAvailable :: RedState -> Inst -> Bool
+isAvailable (avails, _) wanted = wanted `elemFM` avails
+       -- NB: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
+       -- *not* by unique.  So 
+       --      d1::C Int ==  d2::C Int
+
+-------------------------
+addFree :: RedState -> Inst -> NF_TcM RedState
+       -- When an Inst is tossed upstairs as 'free' we nevertheless add it
+       -- to avails, so that any other equal Insts will be commoned up right
+       -- here rather than also being tossed upstairs.  This is really just
+       -- an optimisation, and perhaps it is more trouble that it is worth,
+       -- as the following comments show!
+       --
+       -- NB1: do *not* add superclasses.  If we have
+       --      df::Floating a
+       --      dn::Num a
+       -- but a is not bound here, then we *don't* want to derive 
+       -- dn from df here lest we lose sharing.
+       --
+       -- NB2: do *not* add the Inst to avails at all if it's a method.
+       -- The following situation shows why this is bad:
+       --      truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
+       -- From an application (truncate f i) we get
+       --      t1 = truncate at f 
+       --      t2 = t1 at i
+       -- If we have also have a second occurrence of truncate, we get
+       --      t3 = truncate at f
+       --      t4 = t3 at i
+       -- When simplifying with i,f free, we might still notice that
+       --   t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
+       --   will continue to float out!
+       -- Solution: never put methods in avail till they are captured
+       -- in which case addFree isn't used
+       --
+       -- NB3: make sure that CCallable/CReturnable use NoRhs rather
+       --      than BoundTo, else we end up with bogus bindings.
+       --      c.f. instBindingRequired in addWanted
+addFree (avails, frees) free
+  | isDict free = returnNF_Tc (addToFM avails free avail, free:frees)
+  | otherwise   = returnNF_Tc (avails,                   free:frees)
+  where
+    avail | instBindingRequired free = BoundTo (instToId free)
+         | otherwise                = NoRhs
+
+addWanted :: RedState -> Inst -> TcExpr -> [Inst] -> NF_TcM RedState
+addWanted state@(avails, frees) wanted rhs_expr wanteds
+-- Do *not* add superclasses as well.  Here's an example of why not
+--     class Eq a => Foo a b 
+--     instance Eq a => Foo [a] a
+-- If we are reducing
+--     (Foo [t] t)
+-- we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We  
+-- must not then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
+--     ToDo: this isn't entirely unsatisfactory, because
+--           we may also lose some entirely-legitimate sharing this way
+
+  = ASSERT( not (isAvailable state wanted) )
+    returnNF_Tc (addToFM avails wanted avail, frees)
+  where 
+    avail | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr wanteds
+         | otherwise                  = ASSERT( null wanteds ) NoRhs
+
+addGiven :: RedState -> Inst -> NF_TcM RedState
+addGiven state given = addAvailAndSCs state given (BoundTo (instToId given))
+
+addIrred :: WantSCs -> RedState -> Inst -> NF_TcM RedState
+addIrred NoSCs  (avails,frees) irred = returnNF_Tc (addToFM avails irred Irred, frees)
+addIrred AddSCs state         irred = addAvailAndSCs state irred Irred
+
+addAvailAndSCs :: RedState -> Inst -> Avail -> NF_TcM RedState
+addAvailAndSCs (avails, frees) wanted avail
+  = add_avail_and_scs avails wanted avail      `thenNF_Tc` \ avails' ->
+    returnNF_Tc (avails', frees)
+
+---------------------
+add_avail_and_scs :: Avails -> Inst -> Avail -> NF_TcM Avails
+add_avail_and_scs avails wanted avail
+  = add_scs (addToFM avails wanted avail) wanted
+
+add_scs :: Avails -> Inst -> NF_TcM Avails
+       -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
+       -- Invariant: the Inst is already in Avails.
+
+add_scs avails dict
+  | not (isClassDict dict)
+  = returnNF_Tc avails
+
+  | otherwise  -- It is a dictionary
+  = newDictsFromOld dict sc_theta'     `thenNF_Tc` \ sc_dicts ->
+    foldlNF_Tc add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels)
+  where
+    (clas, tys) = getDictClassTys dict
+    (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
+    sc_theta' = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta
+
+    add_sc avails (sc_dict, sc_sel)    -- Add it, and its superclasses
+      = case lookupFM avails sc_dict of
+         Just (BoundTo _) -> returnNF_Tc avails        -- See Note [SUPER] below
+         other            -> add_avail_and_scs avails sc_dict avail
+      where
+       sc_sel_rhs = DictApp (TyApp (HsVar sc_sel) tys) [instToId dict]
+       avail      = Rhs sc_sel_rhs [dict]
+\end{code}
+
+Note [SUPER].  We have to be careful here.  If we are *given* d1:Ord a,
+and want to deduce (d2:C [a]) where
+
+       class Ord a => C a where
+       instance Ord a => C [a] where ...
+
+Then we'll use the instance decl to deduce C [a] and then add the 
+superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
+for d1:Ord a (which is given) with a superclass selection or we'll just
+build a loop!  Hence looking for BoundTo.  Crudely, BoundTo is cheaper
+than a selection.
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\section{tcSimplifyTop: defaulting}
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
 
 If a dictionary constrains a type variable which is
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
 
 If a dictionary constrains a type variable which is
-\begin{itemize}
-\item
-not mentioned in the environment
-\item
-and not mentioned in the type of the expression
-\end{itemize}
+       * not mentioned in the environment
+       * and not mentioned in the type of the expression
 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
 parameter to a function.
 
 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
 parameter to a function.
 
 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
-
 Specifically, if
 Specifically, if
-\begin{itemize}
-\item
-at least one of its classes is a numeric class, and
-\item
-all of its classes are numeric or standard
-\end{itemize}
+       * at least one of its classes is a numeric class, and
+       * all of its classes are numeric or standard
 then the type variable can be defaulted to the first type in the
 default-type list which is an instance of all the offending classes.
 
 then the type variable can be defaulted to the first type in the
 default-type list which is an instance of all the offending classes.
 
@@ -821,52 +1195,61 @@ dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
 
 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
 
+@tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
+and ambiguous Insts.
+
+We need to be careful of one case.  Suppose we have
+
+       instance Num a => Num (Foo a b) where ...
+
+and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
+to (Num x), and default x to Int.  But what about y??  
+
+It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
 
 
-@tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify
-all the constant and ambiguous Insts.
 
 \begin{code}
 
 \begin{code}
-tcSimplifyTop :: LIE s -> TcM s (TcDictBinds s)
+tcSimplifyTop :: LIE -> TcM TcDictBinds
 tcSimplifyTop wanted_lie
 tcSimplifyTop wanted_lie
-  = reduceContext (text "tcSimplTop") try_me [] wanteds        `thenTc` \ (binds1, frees, irreds) ->
+  = simpleReduceLoop (text "tcSimplTop") try_me wanteds        `thenTc` \ (frees, binds, irreds) ->
     ASSERT( null frees )
 
     let
                -- All the non-std ones are definite errors
        (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
        
     ASSERT( null frees )
 
     let
                -- All the non-std ones are definite errors
        (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
        
-
                -- Group by type variable
        std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
 
                -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
        (std_oks, std_bads) = partition worth_a_try std_groups
                -- Group by type variable
        std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
 
                -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
        (std_oks, std_bads) = partition worth_a_try std_groups
+
                -- Have a try at disambiguation 
                -- if the type variable isn't bound
                -- up with one of the non-standard classes
                -- Have a try at disambiguation 
                -- if the type variable isn't bound
                -- up with one of the non-standard classes
-       worth_a_try group@(d:_) = isEmptyTyVarSet (tyVarsOfInst d `intersectTyVarSets` non_std_tyvars)
-       non_std_tyvars          = unionManyTyVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
+       worth_a_try group@(d:_) = not (non_std_tyvars `intersectsVarSet` tyVarsOfInst d)
+       non_std_tyvars          = unionVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
 
                -- Collect together all the bad guys
        bad_guys = non_stds ++ concat std_bads
     in
 
                -- Collect together all the bad guys
        bad_guys = non_stds ++ concat std_bads
     in
-
        -- Disambiguate the ones that look feasible
     mapTc disambigGroup std_oks                `thenTc` \ binds_ambig ->
 
        -- And complain about the ones that don't
        -- Disambiguate the ones that look feasible
     mapTc disambigGroup std_oks                `thenTc` \ binds_ambig ->
 
        -- And complain about the ones that don't
-    mapNF_Tc complain bad_guys         `thenNF_Tc_`
+       -- This group includes both non-existent instances 
+       --      e.g. Num (IO a) and Eq (Int -> Int)
+       -- and ambiguous dictionaries
+       --      e.g. Num a
+    addTopAmbigErrs bad_guys           `thenNF_Tc_`
 
 
-    returnTc (binds1 `AndMonoBinds` andMonoBinds binds_ambig)
+    returnTc (binds `andMonoBinds` andMonoBindList binds_ambig)
   where
   where
-    wanteds    = bagToList wanted_lie
-    try_me inst        = ReduceMe AddToIrreds
+    wanteds    = lieToList wanted_lie
+    try_me inst        = ReduceMe
 
     d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
 
 
     d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
 
-    complain d | isEmptyTyVarSet (tyVarsOfInst d) = addTopInstanceErr d
-              | otherwise                        = addAmbigErr [d]
-
 get_tv d   = case getDictClassTys d of
                   (clas, [ty]) -> getTyVar "tcSimplifyTop" ty
 get_clas d = case getDictClassTys d of
 get_tv d   = case getDictClassTys d of
                   (clas, [ty]) -> getTyVar "tcSimplifyTop" ty
 get_clas d = case getDictClassTys d of
@@ -886,11 +1269,15 @@ Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
 @void@.
 
 \begin{code}
 @void@.
 
 \begin{code}
-disambigGroup :: [Inst s]      -- All standard classes of form (C a)
-             -> TcM s (TcDictBinds s)
+disambigGroup :: [Inst]        -- All standard classes of form (C a)
+             -> TcM TcDictBinds
 
 disambigGroup dicts
 
 disambigGroup dicts
-  |  any isNumericClass classes        -- Guaranteed all standard classes
+  |   any isNumericClass classes       -- Guaranteed all standard classes
+         -- see comment at the end of function for reasons as to 
+         -- why the defaulting mechanism doesn't apply to groups that
+         -- include CCallable or CReturnable dicts.
+   && not (any isCcallishClass classes)
   =    -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
        -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
 
   =    -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
        -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
 
@@ -904,84 +1291,323 @@ disambigGroup dicts
        = failTc
 
       try_default (default_ty : default_tys)
        = failTc
 
       try_default (default_ty : default_tys)
-       = tryTc (try_default default_tys) $     -- If default_ty fails, we try
+       = tryTc_ (try_default default_tys) $    -- If default_ty fails, we try
                                                -- default_tys instead
                                                -- default_tys instead
-         tcSimplifyCheckThetas [] thetas       `thenTc` \ _ ->
+         tcSimplifyCheckThetas [] theta        `thenTc` \ _ ->
          returnTc default_ty
         where
          returnTc default_ty
         where
-         thetas = classes `zip` repeat [default_ty]
+         theta = [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
     in
        -- See if any default works, and if so bind the type variable to it
        -- If not, add an AmbigErr
     in
        -- See if any default works, and if so bind the type variable to it
        -- If not, add an AmbigErr
-    recoverTc (addAmbigErr dicts `thenNF_Tc_` returnTc EmptyMonoBinds) $
+    recoverTc (addAmbigErrs dicts                      `thenNF_Tc_` 
+              returnTc EmptyMonoBinds) $
 
     try_default default_tys                    `thenTc` \ chosen_default_ty ->
 
        -- Bind the type variable and reduce the context, for real this time
 
     try_default default_tys                    `thenTc` \ chosen_default_ty ->
 
        -- Bind the type variable and reduce the context, for real this time
-    tcInstType emptyTyVarEnv chosen_default_ty         `thenNF_Tc` \ chosen_default_tc_ty ->   -- Tiresome!
-    unifyTauTy chosen_default_tc_ty (mkTyVarTy tyvar)  `thenTc_`
-    reduceContext (text "disambig" <+> ppr dicts)
-                 try_me [] dicts       `thenTc` \ (binds, frees, ambigs) ->
-    ASSERT( null frees && null ambigs )
+    unifyTauTy chosen_default_ty (mkTyVarTy tyvar)     `thenTc_`
+    simpleReduceLoop (text "disambig" <+> ppr dicts)
+                    try_me dicts                       `thenTc` \ (frees, binds, ambigs) ->
+    WARN( not (null frees && null ambigs), ppr frees $$ ppr ambigs )
+    warnDefault dicts chosen_default_ty                        `thenTc_`
     returnTc binds
 
     returnTc binds
 
-  | all isCcallishClass classes
+  | all isCreturnableClass classes
   =    -- Default CCall stuff to (); we don't even both to check that () is an 
   =    -- Default CCall stuff to (); we don't even both to check that () is an 
-       -- instance of CCallable/CReturnable, because we know it is.
+       -- instance of CReturnable, because we know it is.
     unifyTauTy (mkTyVarTy tyvar) unitTy    `thenTc_`
     returnTc EmptyMonoBinds
     
   | otherwise -- No defaults
     unifyTauTy (mkTyVarTy tyvar) unitTy    `thenTc_`
     returnTc EmptyMonoBinds
     
   | otherwise -- No defaults
-  = addAmbigErr dicts  `thenNF_Tc_`
+  = addAmbigErrs dicts `thenNF_Tc_`
     returnTc EmptyMonoBinds
 
   where
     returnTc EmptyMonoBinds
 
   where
-    try_me inst = ReduceMe AddToIrreds         -- This reduce should not fail
+    try_me inst = ReduceMe                     -- This reduce should not fail
     tyvar       = get_tv (head dicts)          -- Should be non-empty
     classes     = map get_clas dicts
 \end{code}
 
     tyvar       = get_tv (head dicts)          -- Should be non-empty
     classes     = map get_clas dicts
 \end{code}
 
+[Aside - why the defaulting mechanism is turned off when
+ dealing with arguments and results to ccalls.
+
+When typechecking _ccall_s, TcExpr ensures that the external
+function is only passed arguments (and in the other direction,
+results) of a restricted set of 'native' types. This is
+implemented via the help of the pseudo-type classes,
+@CReturnable@ (CR) and @CCallable@ (CC.)
+The interaction between the defaulting mechanism for numeric
+values and CC & CR can be a bit puzzling to the user at times.
+For example,
+
+    x <- _ccall_ f
+    if (x /= 0) then
+       _ccall_ g x
+     else
+       return ()
+
+What type has 'x' got here? That depends on the default list
+in operation, if it is equal to Haskell 98's default-default
+of (Integer, Double), 'x' has type Double, since Integer
+is not an instance of CR. If the default list is equal to
+Haskell 1.4's default-default of (Int, Double), 'x' has type
+Int. 
+
+To try to minimise the potential for surprises here, the
+defaulting mechanism is turned off in the presence of
+CCallable and CReturnable.
+
+]
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection[simple]{@Simple@ versions}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+Much simpler versions when there are no bindings to make!
+
+@tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
+@deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
+only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
+
+It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
+a,b,c are type variables.  This is required for the context of
+instance declarations.
+
+\begin{code}
+tcSimplifyThetas :: ThetaType          -- Wanted
+                -> TcM ThetaType               -- Needed
+
+tcSimplifyThetas wanteds
+  = doptsTc Opt_GlasgowExts            `thenNF_Tc` \ glaExts ->
+    reduceSimple [] wanteds            `thenNF_Tc` \ irreds ->
+    let
+       -- For multi-param Haskell, check that the returned dictionaries
+       -- don't have any of the form (C Int Bool) for which
+       -- we expect an instance here
+       -- For Haskell 98, check that all the constraints are of the form C a,
+       -- where a is a type variable
+       bad_guys | glaExts   = [pred | pred <- irreds, 
+                                      isEmptyVarSet (tyVarsOfPred pred)]
+                | otherwise = [pred | pred <- irreds, 
+                                      not (isTyVarClassPred pred)]
+    in
+    if null bad_guys then
+       returnTc irreds
+    else
+       mapNF_Tc addNoInstErr bad_guys          `thenNF_Tc_`
+       failTc
+\end{code}
+
+@tcSimplifyCheckThetas@ just checks class-type constraints, essentially;
+used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
+whether it worked or not.
+
+\begin{code}
+tcSimplifyCheckThetas :: ThetaType     -- Given
+                     -> ThetaType      -- Wanted
+                     -> TcM ()
+
+tcSimplifyCheckThetas givens wanteds
+  = reduceSimple givens wanteds    `thenNF_Tc` \ irreds ->
+    if null irreds then
+       returnTc ()
+    else
+       mapNF_Tc addNoInstErr irreds            `thenNF_Tc_`
+       failTc
+\end{code}
+
+
+\begin{code}
+type AvailsSimple = FiniteMap PredType Bool
+                   -- True  => irreducible 
+                   -- False => given, or can be derived from a given or from an irreducible
+
+reduceSimple :: ThetaType                      -- Given
+            -> ThetaType                       -- Wanted
+            -> NF_TcM ThetaType                -- Irreducible
+
+reduceSimple givens wanteds
+  = reduce_simple (0,[]) givens_fm wanteds     `thenNF_Tc` \ givens_fm' ->
+    returnNF_Tc [pred | (pred,True) <- fmToList givens_fm']
+  where
+    givens_fm     = foldl addNonIrred emptyFM givens
+
+reduce_simple :: (Int,ThetaType)               -- Stack
+             -> AvailsSimple
+             -> ThetaType
+             -> NF_TcM AvailsSimple
+
+reduce_simple (n,stack) avails wanteds
+  = go avails wanteds
+  where
+    go avails []     = returnNF_Tc avails
+    go avails (w:ws) = reduce_simple_help (n+1,w:stack) avails w       `thenNF_Tc` \ avails' ->
+                      go avails' ws
+
+reduce_simple_help stack givens wanted
+  | wanted `elemFM` givens
+  = returnNF_Tc givens
+
+  | Just (clas, tys) <- getClassPredTys_maybe wanted
+  = lookupSimpleInst clas tys  `thenNF_Tc` \ maybe_theta ->
+    case maybe_theta of
+      Nothing ->    returnNF_Tc (addSimpleIrred givens wanted)
+      Just theta -> reduce_simple stack (addNonIrred givens wanted) theta
+
+  | otherwise
+  = returnNF_Tc (addSimpleIrred givens wanted)
+
+addSimpleIrred :: AvailsSimple -> PredType -> AvailsSimple
+addSimpleIrred givens pred
+  = addSCs (addToFM givens pred True) pred
+
+addNonIrred :: AvailsSimple -> PredType -> AvailsSimple
+addNonIrred givens pred
+  = addSCs (addToFM givens pred False) pred
+
+addSCs givens pred
+  | not (isClassPred pred) = givens
+  | otherwise             = foldl add givens sc_theta
+ where
+   Just (clas,tys) = getClassPredTys_maybe pred
+   (tyvars, sc_theta_tmpl, _, _) = classBigSig clas
+   sc_theta = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta_tmpl
+
+   add givens ct
+     = case lookupFM givens ct of
+       Nothing    -> -- Add it and its superclasses
+                    addSCs (addToFM givens ct False) ct
+
+       Just True  -> -- Set its flag to False; superclasses already done
+                    addToFM givens ct False
+
+       Just False -> -- Already done
+                    givens
+                          
+\end{code}
+
 
 
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\section{Errors and contexts}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
 
 
-Errors and contexts
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
 now?
 
 \begin{code}
 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
 now?
 
 \begin{code}
-genCantGenErr insts    -- Can't generalise these Insts
-  = sep [ptext SLIT("Cannot generalise these overloadings (in a _ccall_):"), 
-        nest 4 (pprInstsInFull insts)
-       ]
-
-addAmbigErr dicts
-  = tcAddSrcLoc (instLoc (head dicts)) $
-    addErrTc (sep [text "Cannot resolve the ambiguous context" <+> pprInsts dicts,
-                  nest 4 (pprInstsInFull dicts)])
+addTopAmbigErrs dicts
+  = mapNF_Tc complain tidy_dicts
+  where
+    fixed_tvs = oclose (predsOfInsts tidy_dicts) emptyVarSet
+    (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
+    complain d | any isIPPred (predsOfInst d)        = addTopIPErr tidy_env d
+              | not (isTyVarDict d) ||
+                tyVarsOfInst d `subVarSet` fixed_tvs = addTopInstanceErr tidy_env d
+              | otherwise                            = addAmbigErr tidy_env d
+
+addTopIPErr tidy_env tidy_dict
+  = addInstErrTcM (instLoc tidy_dict) 
+       (tidy_env, 
+        ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <+> quotes (pprInst tidy_dict))
 
 -- Used for top-level irreducibles
 
 -- Used for top-level irreducibles
-addTopInstanceErr dict
-  = tcAddSrcLoc (instLoc dict)                $
-    addErrTc (sep [ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (pprInst dict),
-                  nest 4 $ parens $ pprOrigin dict])
-
-addNoInstanceErr str givens dict
-  = tcAddSrcLoc (instLoc dict) $
-    addErrTc (sep [sep [ptext SLIT("Could not deduce") <+> quotes (pprInst dict),
-                       nest 4 $ parens $ pprOrigin dict],
-                  nest 4 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprInsts givens]
-             $$
-             ptext SLIT("Probable cause:") <+> 
-             vcat [ptext SLIT("missing") <+> quotes (pprInst dict) <+> ptext SLIT("in") <+> str,
-                   if all_tyvars then empty else
-                   ptext SLIT("or missing instance declaration for") <+> quotes (pprInst dict)]
-    )
+addTopInstanceErr tidy_env tidy_dict
+  = addInstErrTcM (instLoc tidy_dict) 
+       (tidy_env, 
+        ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (pprInst tidy_dict))
+
+addAmbigErrs dicts
+  = mapNF_Tc (addAmbigErr tidy_env) tidy_dicts
   where
   where
-    all_tyvars = all isTyVarTy tys
-    (_, tys)   = getDictClassTys dict
+    (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
+
+addAmbigErr tidy_env tidy_dict
+  = addInstErrTcM (instLoc tidy_dict)
+       (tidy_env,
+        sep [text "Ambiguous type variable(s)" <+> pprQuotedList ambig_tvs,
+             nest 4 (text "in the constraint" <+> quotes (pprInst tidy_dict))])
+  where
+    ambig_tvs = varSetElems (tyVarsOfInst tidy_dict)
+
+warnDefault dicts default_ty
+  = doptsTc Opt_WarnTypeDefaults  `thenTc` \ warn_flag ->
+    tcAddSrcLoc (get_loc (head dicts)) (warnTc warn_flag warn_msg)
+  where
+       -- Tidy them first
+    (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
+    get_loc i = case instLoc i of { (_,loc,_) -> loc }
+    warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+> 
+                               quotes (ppr default_ty),
+                     pprInstsInFull tidy_dicts]
+
+-- The error message when we don't find a suitable instance
+-- is complicated by the fact that sometimes this is because
+-- there is no instance, and sometimes it's because there are
+-- too many instances (overlap).  See the comments in TcEnv.lhs
+-- with the InstEnv stuff.
+addNoInstanceErr what_doc givens dict
+  = tcGetInstEnv       `thenNF_Tc` \ inst_env ->
+    let
+       doc = vcat [sep [herald <+> quotes (pprInst tidy_dict),
+                        nest 4 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprInsts tidy_givens],
+                   ambig_doc,
+                   ptext SLIT("Probable fix:"),
+                   nest 4 fix1,
+                   nest 4 fix2]
+    
+       herald = ptext SLIT("Could not") <+> unambig_doc <+> ptext SLIT("deduce")
+       unambig_doc | ambig_overlap = ptext SLIT("unambiguously")       
+                   | otherwise     = empty
+    
+       ambig_doc 
+           | not ambig_overlap = empty
+           | otherwise             
+           = vcat [ptext SLIT("The choice of (overlapping) instance declaration"),
+                   nest 4 (ptext SLIT("depends on the instantiation of") <+> 
+                           quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst tidy_dict))))]
+    
+       fix1 = sep [ptext SLIT("Add") <+> quotes (pprInst tidy_dict),
+                   ptext SLIT("to the") <+> what_doc]
+    
+       fix2 | isTyVarDict dict || ambig_overlap
+            = empty
+            | otherwise
+            = ptext SLIT("Or add an instance declaration for") <+> quotes (pprInst tidy_dict)
+    
+       (tidy_env, tidy_dict:tidy_givens) = tidyInsts (dict:givens)
+    
+           -- Checks for the ambiguous case when we have overlapping instances
+       ambig_overlap | isClassDict dict
+                     = case lookupInstEnv inst_env clas tys of
+                           NoMatch ambig -> ambig
+                           other         -> False
+                     | otherwise = False
+                     where
+                       (clas,tys) = getDictClassTys dict
+    in
+    addInstErrTcM (instLoc dict) (tidy_env, doc)
 
 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
 
 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
-addNoInstErr (c,ts)
-  = addErrTc (ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (pprConstraint c ts))
+addNoInstErr pred
+  = addErrTc (ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (ppr pred))
+
+reduceDepthErr n stack
+  = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
+         ptext SLIT("Use -fcontext-stack20 to increase stack size to (e.g.) 20"),
+         nest 4 (pprInstsInFull stack)]
+
+reduceDepthMsg n stack = nest 4 (pprInstsInFull stack)
+
+-----------------------------------------------
+addCantGenErr inst
+  = addErrTc (sep [ptext SLIT("Cannot generalise these overloadings (in a _ccall_):"), 
+                  nest 4 (ppr inst <+> pprInstLoc (instLoc inst))])
 \end{code}
 \end{code}