[project @ 2002-09-13 15:02:25 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / types / FunDeps.lhs
index 7c6a27c..79f62fb 100644 (file)
@@ -7,79 +7,346 @@ It's better to read it as: "if we know these, then we're going to know these"
 
 \begin{code}
 module FunDeps (
-       oclose,
-        instantiateFdClassTys,
-        tyVarFunDep,
-        pprFundeps
+       Equation, pprEquation, pprEquationDoc,
+       oclose, grow, improve, checkInstFDs, checkClsFD, pprFundeps
     ) where
 
 #include "HsVersions.h"
 
-import Var             ( TyVar )
+import Name            ( getSrcLoc )
+import Var             ( Id, TyVar )
 import Class           ( Class, FunDep, classTvsFds )
-import Type            ( Type, tyVarsOfTypes )
-import Outputable      ( Outputable, SDoc, interppSP, ptext, empty, hsep, punctuate, comma )
-import UniqSet
+import Subst           ( mkSubst, emptyInScopeSet, substTy )
+import TcType          ( Type, ThetaType, SourceType(..), PredType,
+                         predTyUnique, mkClassPred, tyVarsOfTypes, tyVarsOfPred,
+                         unifyTyListsX, unifyExtendTysX, tcEqType
+                       )
+import PprType         (  )
 import VarSet
 import VarEnv
-import Unique          ( Uniquable )
-import Util            ( zipEqual )
+import Outputable
+import List            ( tails )
+import Maybes          ( maybeToBool )
+import ListSetOps      ( equivClassesByUniq )
 \end{code}
 
 
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Close type variables}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+(oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
+wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
+of the argument set.  For example, if we have
+       class C a b | a->b where ...
+then
+       oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
+because if we know x and y then that fixes z.
+
+Using oclose
+~~~~~~~~~~~~
+oclose is used
+
+a) When determining ambiguity.  The type
+       forall a,b. C a b => a
+is not ambiguous (given the above class decl for C) because
+a determines b.  
+
+b) When generalising a type T.  Usually we take FV(T) \ FV(Env),
+but in fact we need
+       FV(T) \ (FV(Env)+)
+where the '+' is the oclosure operation.  Notice that we do not 
+take FV(T)+.  This puzzled me for a bit.  Consider
+
+       f = E
+
+and suppose e have that E :: C a b => a, and suppose that b is
+free in the environment. Then we quantify over 'a' only, giving
+the type forall a. C a b => a.  Since a->b but we don't have b->a,
+we might have instance decls like
+       instance C Bool Int where ...
+       instance C Char Int where ...
+so knowing that b=Int doesn't fix 'a'; so we quantify over it.
+
+               ---------------
+               A WORRY: ToDo!
+               ---------------
+If we have     class C a b => D a b where ....
+               class D a b | a -> b where ...
+and the preds are [C (x,y) z], then we want to see the fd in D,
+even though it is not explicit in C, giving [({x,y},{z})]
+
+Similarly for instance decls?  E.g. Suppose we have
+       instance C a b => Eq (T a b) where ...
+and we infer a type t with constraints Eq (T a b) for a particular
+expression, and suppose that 'a' is free in the environment.  
+We could generalise to
+       forall b. Eq (T a b) => t
+but if we reduced the constraint, to C a b, we'd see that 'a' determines
+b, so that a better type might be
+       t (with free constraint C a b) 
+Perhaps it doesn't matter, because we'll still force b to be a
+particular type at the call sites.  Generalising over too many
+variables (provided we don't shadow anything by quantifying over a
+variable that is actually free in the envt) may postpone errors; it
+won't hide them altogether.
+
+
+\begin{code}
+oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
+oclose preds fixed_tvs
+  | null tv_fds = fixed_tvs    -- Fast escape hatch for common case
+  | otherwise   = loop fixed_tvs
+  where
+    loop fixed_tvs
+       | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
+       | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
+       where
+         new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
+
+    extend fixed_tvs (ls,rs) | ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
+                            | otherwise                = fixed_tvs
+
+    tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
+       -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
+       -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
+    tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
+             | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
+               let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
+               fd <- cls_fds,
+               let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
+             ]
+\end{code}
+
+\begin{code}
+grow :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
+grow preds fixed_tvs 
+  | null preds = fixed_tvs
+  | otherwise  = loop fixed_tvs
+  where
+    loop fixed_tvs
+       | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
+       | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
+       where
+         new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs pred_sets
+
+    extend fixed_tvs pred_tvs 
+       | fixed_tvs `intersectsVarSet` pred_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` pred_tvs
+       | otherwise                             = fixed_tvs
+
+    pred_sets = [tyVarsOfPred pred | pred <- preds]
+\end{code}
+    
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Generate equations from functional dependencies}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+
+\begin{code}
+----------
+type Equation = (TyVarSet, Type, Type) -- These two types should be equal, for some
+                                       -- substitution of the tyvars in the tyvar set
+       -- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
+       -- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
+       -- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
+       -- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
+       -- 
+       -- INVARIANT: they aren't already equal
+       --
+
+
+pprEquationDoc (eqn, doc) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 doc]
+
+pprEquation (qtvs, t1, t2) = ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs))
+                                                 <+> ppr t1 <+> ptext SLIT(":=:") <+> ppr t2
+
+----------
+improve :: InstEnv Id          -- Gives instances for given class
+       -> [(PredType,SDoc)]    -- Current constraints; doc says where they come from
+       -> [(Equation,SDoc)]    -- Derived equalities that must also hold
+                               -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
+                               -- The SDoc explains why the equation holds (for error messages)
+
+type InstEnv a = Class -> [(TyVarSet, [Type], a)]
+-- This is a bit clumsy, because InstEnv is really
+-- defined in module InstEnv.  However, we don't want
+-- to define it (and ClsInstEnv) here because InstEnv
+-- is their home.  Nor do we want to make a recursive
+-- module group (InstEnv imports stuff from FunDeps).
+\end{code}
+
+Given a bunch of predicates that must hold, such as
+
+       C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
+
+improve figures out what extra equations must hold.
+For example, if we have
+
+       class C a b | a->b where ...
+
+then improve will return
+
+       [(t1,t2), (t4,t5)]
+
+NOTA BENE:
+
+  * improve does not iterate.  It's possible that when we make
+    t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
+    This would happen if we also had
+       C t1 t7, C t2 t8
+    If t1=t2, we also get t7=t8.
+
+    improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
+    doing so.
+
+  * The equations unify types that are not already equal.  So there
+    is no effect iff the result of improve is empty
+
+
+
 \begin{code}
-oclose :: Uniquable a => [FunDep a] -> UniqSet a -> UniqSet a
--- (oclose fds tvs) closes the set of type variables tvs, 
--- wrt the functional dependencies fds.  The result is a superset
--- of the argument set.
+improve inst_env preds
+  = [ eqn | group <- equivClassesByUniq (predTyUnique . fst) preds,
+           eqn   <- checkGroup inst_env group ]
+
+----------
+checkGroup :: InstEnv Id -> [(PredType,SDoc)] -> [(Equation, SDoc)]
+  -- The preds are all for the same class or implicit param
+
+checkGroup inst_env (p1@(IParam _ ty, _) : ips)
+  =    -- For implicit parameters, all the types must match
+    [ ((emptyVarSet, ty, ty'), mkEqnMsg p1 p2) 
+    | p2@(IParam _ ty', _) <- ips, not (ty `tcEqType` ty')]
+
+checkGroup inst_env clss@((ClassP cls _, _) : _)
+  =    -- For classes life is more complicated  
+       -- Suppose the class is like
+       --      classs C as | (l1 -> r1), (l2 -> r2), ... where ...
+       -- Then FOR EACH PAIR (ClassP c tys1, ClassP c tys2) in the list clss
+       -- we check whether
+       --      U l1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
+       --  (where U is a unifier)
+       -- 
+       -- If so, we return the pair
+       --      U r1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
+       --
+       -- We need to do something very similar comparing each predicate
+       -- with relevant instance decls
+    pairwise_eqns ++ instance_eqns
+
+  where
+    (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
+    cls_inst_env       = inst_env cls
+
+       -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
+       -- empty, which aborts the rest of the loop.
+    pairwise_eqns :: [(Equation,SDoc)]
+    pairwise_eqns      -- This group comes from pairwise comparison
+      = [ (eqn, mkEqnMsg p1 p2)
+       | fd <- cls_fds,
+         p1@(ClassP _ tys1, _) : rest <- tails clss,
+         p2@(ClassP _ tys2, _) <- rest,
+         eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys1 tys2
+       ]
+
+    instance_eqns :: [(Equation,SDoc)]
+    instance_eqns      -- This group comes from comparing with instance decls
+      = [ (eqn, mkEqnMsg p1 p2)
+       | fd <- cls_fds,
+         (qtvs, tys1, dfun_id)  <- cls_inst_env,
+         let p1 = (mkClassPred cls tys1, 
+                   ptext SLIT("arising from the instance declaration at") <+> ppr (getSrcLoc dfun_id)),
+         p2@(ClassP _ tys2, _) <- clss,
+         eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys1 tys2
+       ]
+
+mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2)
+  = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
+         nest 2 (sep [ppr pred1 <> comma, nest 2 from1]), 
+         nest 2 (sep [ppr pred2 <> comma, nest 2 from2])]
+----------
+checkClsFD :: TyVarSet                         -- Quantified type variables; see note below
+          -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
+          -> [Type] -> [Type]
+          -> [Equation]
+
+checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
+-- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
+-- to make the types match.  For example, given
+--     class C a b | a->b where ...
+--     instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
+-- and an Inst of form (C (Maybe t1 t2), 
+-- then we will call checkClsFD with
 --
--- For example,
---     oclose [a -> b] {a}     = {a,b}
---     oclose [a b -> c] {a}   = {a}
---     oclose [a b -> c] {a,b} = {a,b,c}
--- If all of the things on the left of an arrow are in the set, add
--- the things on the right of that arrow.
-
-oclose fds vs =
-    case oclose1 fds vs of
-      (vs', False) -> vs'
-      (vs', True)  -> oclose fds vs'
-
-oclose1 [] vs = (vs, False)
-oclose1 (fd@(ls, rs):fds) vs =
-    if osubset ls vs then
-       (vs'', b1 || b2)
-    else
-       vs'b1
-    where
-       vs'b1@(vs', b1) = oclose1 fds vs
-       (vs'', b2) = ounion rs vs'
-
-osubset [] vs = True
-osubset (u:us) vs = if u `elementOfUniqSet` vs then osubset us vs else False
-
-ounion [] ys = (ys, False)
-ounion (x:xs) ys
-    | x `elementOfUniqSet` ys = (ys', b)
-    | otherwise                      = (addOneToUniqSet ys' x, True)
-    where
-       (ys', b) = ounion xs ys
-
-instantiateFdClassTys :: Class -> [Type] -> [FunDep Type]
--- Get the FDs of the class, and instantiate them
-instantiateFdClassTys clas tys
-  = [(map lookup us, map lookup vs) | (us,vs) <- fundeps]
+--     qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
+--                 tys2 = [Maybe t1, t2]
+--
+-- We can instantiate x to t1, and then we want to force
+--     Tree x [t1/x]  :=:   t2
+
+-- We use 'unify' even though we are often only matching
+-- unifyTyListsX will only bind variables in qtvs, so it's OK!
+  = case unifyTyListsX qtvs ls1 ls2 of
+       Nothing   -> []
+       Just unif -> -- pprTrace "checkFD" (vcat [ppr_fd fd,
+                    --                        ppr (varSetElems qtvs) <+> (ppr ls1 $$ ppr ls2),
+                    --                        ppr unif]) $ 
+                    [ (qtvs', substTy full_unif r1, substTy full_unif r2)
+                    | (r1,r2) <- rs1 `zip` rs2,
+                      not (maybeToBool (unifyExtendTysX qtvs unif r1 r2))]
+                       -- Don't include any equations that already hold
+                       -- taking account of the fact that any qtvs that aren't 
+                       -- already instantiated can be instantiated to anything at all
+                       -- NB: qtvs, not qtvs' because unifyExtendTysX only tries to
+                       --     look template tyvars up in the substitution
+                 where
+                   full_unif = mkSubst emptyInScopeSet unif
+                       -- No for-alls in sight; hmm
+
+                   qtvs' = filterVarSet (\v -> not (v `elemSubstEnv` unif)) qtvs
+                       -- qtvs' are the quantified type variables
+                       -- that have not been substituted out
+  where
+    (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
+    (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
+
+instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
+instFD (ls,rs) tvs tys
+  = (map lookup ls, map lookup rs)
   where
-    (tyvars, fundeps) = classTvsFds clas
-    env       = mkVarEnv (zipEqual "instantiateFdClassTys" tyvars tys)
+    env       = zipVarEnv tvs tys
     lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
+\end{code}
+
+\begin{code}
+checkInstFDs :: ThetaType -> Class -> [Type] -> Bool
+-- Check that functional dependencies are obeyed in an instance decl
+-- For example, if we have 
+--     class theta => C a b | a -> b
+--     instance C t1 t2 
+-- Then we require fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
 
-tyVarFunDep :: [FunDep Type] -> [FunDep TyVar]
-tyVarFunDep fdtys 
-  = [(getTyvars xs, getTyvars ys) | (xs, ys) <- fdtys]
-  where 
-    getTyvars = varSetElems . tyVarsOfTypes
+checkInstFDs theta clas inst_taus
+  = all fundep_ok fds
+  where
+    (tyvars, fds) = classTvsFds clas
+    fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` oclose theta (tyVarsOfTypes ls)
+                where
+                  (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
+\end{code}
 
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Miscellaneous}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
 pprFundeps :: Outputable a => [FunDep a] -> SDoc
 pprFundeps [] = empty
 pprFundeps fds = hsep (ptext SLIT("|") : punctuate comma (map ppr_fd fds))