reorganize HaskProof files
[coq-hetmet.git] / src / PCF.v
diff --git a/src/PCF.v b/src/PCF.v
new file mode 100644 (file)
index 0000000..16dceef
--- /dev/null
+++ b/src/PCF.v
@@ -0,0 +1,424 @@
+(*********************************************************************************************************************************)
+(* PCF:                                                                                                          *)
+(*                                                                                                                               *)
+(*    An alternate representation for HaskProof which ensures that deductions on a given level are grouped into contiguous       *)
+(*    blocks.  This representation lacks the attractive compositionality properties of HaskProof, but makes it easier to         *)
+(*    perform the flattening process.                                                                                            *)
+(*                                                                                                                               *)
+(*********************************************************************************************************************************)
+
+Generalizable All Variables.
+Require Import Preamble.
+Require Import General.
+Require Import NaturalDeduction.
+Require Import Coq.Strings.String.
+Require Import Coq.Lists.List.
+
+Require Import Algebras_ch4.
+Require Import Categories_ch1_3.
+Require Import Functors_ch1_4.
+Require Import Isomorphisms_ch1_5.
+Require Import ProductCategories_ch1_6_1.
+Require Import OppositeCategories_ch1_6_2.
+Require Import Enrichment_ch2_8.
+Require Import Subcategories_ch7_1.
+Require Import NaturalTransformations_ch7_4.
+Require Import NaturalIsomorphisms_ch7_5.
+Require Import MonoidalCategories_ch7_8.
+Require Import Coherence_ch7_8.
+
+Require Import HaskKinds.
+Require Import HaskCoreTypes.
+Require Import HaskLiteralsAndTyCons.
+Require Import HaskStrongTypes.
+Require Import HaskProof.
+Require Import NaturalDeduction.
+Require Import NaturalDeductionCategory.
+
+Require Import HaskStrongTypes.
+Require Import HaskStrong.
+Require Import HaskProof.
+Require Import HaskStrongToProof.
+Require Import HaskProofToStrong.
+Require Import ProgrammingLanguage.
+
+Open Scope nd_scope.
+
+
+(*
+ *  The flattening transformation.  Currently only TWO-level languages are
+ *  supported, and the level-1 sublanguage is rather limited.
+*
+ *  This file abuses terminology pretty badly.  For purposes of this file,
+ *  "PCF" means "the level-1 sublanguage" and "FC" (aka System FC) means 
+ *  the whole language (level-0 language including bracketed level-1 terms)
+ *)
+Section PCF.
+
+  Section PCF.
+
+  Context {ndr_systemfc:@ND_Relation _ Rule}.
+  Context Γ (Δ:CoercionEnv Γ).
+
+  Definition PCFJudg (ec:HaskTyVar Γ ★) :=
+    @prod (Tree ??(HaskType Γ ★)) (Tree ??(HaskType Γ ★)).
+  Definition pcfjudg (ec:HaskTyVar Γ ★) :=
+    @pair (Tree ??(HaskType Γ ★)) (Tree ??(HaskType Γ ★)).
+
+  (* given an PCFJudg at depth (ec::depth) we can turn it into an PCFJudg
+   * from depth (depth) by wrapping brackets around everything in the
+   * succedent and repopulating *)
+  Definition brakify {ec} (j:PCFJudg ec) : Judg :=
+    match j with
+      (Σ,τ) => Γ > Δ > (Σ@@@(ec::nil)) |- (mapOptionTree (fun t => HaskBrak ec t) τ @@@ nil)
+      end.
+
+  Definition pcf_vars {Γ}(ec:HaskTyVar Γ ★)(t:Tree ??(LeveledHaskType Γ ★)) : Tree ??(HaskType Γ ★)
+    := mapOptionTreeAndFlatten (fun lt =>
+      match lt with t @@ l => match l with
+                                | ec'::nil => if eqd_dec ec ec' then [t] else []
+                                | _ => []
+                              end
+      end) t.
+
+  Inductive MatchingJudgments {ec} : Tree ??(PCFJudg ec) -> Tree ??Judg -> Type :=
+    | match_nil    : MatchingJudgments [] []
+    | match_branch : forall a b c d, MatchingJudgments a b -> MatchingJudgments c d -> MatchingJudgments (a,,c) (b,,d)
+    | match_leaf   : 
+      forall Σ τ lev,
+        MatchingJudgments
+          [((pcf_vars ec Σ)         ,                              τ        )]
+          [Γ > Δ >              Σ  |- (mapOptionTree (HaskBrak ec) τ @@@ lev)].
+
+  Definition fc_vars {Γ}(ec:HaskTyVar Γ ★)(t:Tree ??(LeveledHaskType Γ ★)) : Tree ??(HaskType Γ ★)
+    := mapOptionTreeAndFlatten (fun lt =>
+      match lt with t @@ l => match l with
+                                | ec'::nil => if eqd_dec ec ec' then [] else [t]
+                                | _ => []
+                              end
+      end) t.
+
+  Definition FCJudg :=
+    @prod (Tree ??(LeveledHaskType Γ ★)) (Tree ??(LeveledHaskType Γ ★)).
+  Definition fcjudg2judg (fc:FCJudg) :=
+    match fc with
+      (x,y) => Γ > Δ > x |- y
+        end.
+  Coercion fcjudg2judg : FCJudg >-> Judg.
+
+  Definition pcfjudg2judg ec (cj:PCFJudg ec) :=
+    match cj with (Σ,τ) => Γ > Δ > (Σ @@@ (ec::nil)) |- (τ @@@ (ec::nil)) end.
+
+  Definition pcfjudg2fcjudg ec (fc:PCFJudg ec) : FCJudg :=
+    match fc with
+      (x,y) => (x @@@ (ec::nil),y @@@ (ec::nil))
+        end.
+
+  (* Rules allowed in PCF; i.e. rules we know how to turn into GArrows     *)
+  (* Rule_PCF consists of the rules allowed in flat PCF: everything except *)
+  (* AppT, AbsT, AppC, AbsC, Cast, Global, and some Case statements        *)
+  Inductive Rule_PCF (ec:HaskTyVar Γ ★)
+    : forall (h c:Tree ??(PCFJudg ec)), Rule (mapOptionTree (pcfjudg2judg ec) h) (mapOptionTree (pcfjudg2judg ec) c) -> Type :=
+  | PCF_RArrange    : ∀ x y t     a,  Rule_PCF ec [(_, _)] [(_, _)] (RArrange Γ Δ (x@@@(ec::nil)) (y@@@(ec::nil)) (t@@@(ec::nil)) a)
+  | PCF_RLit        : ∀ lit        ,  Rule_PCF ec [           ] [ ([],[_]) ] (RLit   Γ Δ  lit (ec::nil))
+  | PCF_RNote       : ∀ Σ τ   n    ,  Rule_PCF ec [(_,[_])] [(_,[_])] (RNote  Γ Δ  (Σ@@@(ec::nil)) τ         (ec::nil) n)
+  | PCF_RVar        : ∀ σ          ,  Rule_PCF ec [           ] [([_],[_])] (RVar   Γ Δ    σ         (ec::nil)  )
+  | PCF_RLam        : ∀ Σ tx te    ,  Rule_PCF ec [((_,,[_]),[_])] [(_,[_])] (RLam   Γ Δ  (Σ@@@(ec::nil)) tx te  (ec::nil)  )
+
+  | PCF_RApp             : ∀ Σ Σ' tx te ,
+    Rule_PCF ec ([(_,[_])],,[(_,[_])]) [((_,,_),[_])]
+    (RApp Γ Δ (Σ@@@(ec::nil))(Σ'@@@(ec::nil)) tx te (ec::nil))
+
+  | PCF_RLet             : ∀ Σ Σ' σ₂   p,
+    Rule_PCF ec ([(_,[_])],,[((_,,[_]),[_])]) [((_,,_),[_])]
+    (RLet Γ Δ (Σ@@@(ec::nil)) (Σ'@@@(ec::nil)) σ₂ p (ec::nil))
+
+  | PCF_RVoid      :                 Rule_PCF ec [           ] [([],[])] (RVoid   Γ Δ  )
+(*| PCF_RLetRec          : ∀ Σ₁ τ₁ τ₂   ,  Rule_PCF (ec::nil) _ _ (RLetRec Γ Δ Σ₁ τ₁ τ₂ (ec::nil) )*)
+  | PCF_RJoin    : ∀ Σ₁ Σ₂ τ₁ τ₂,  Rule_PCF ec ([(_,_)],,[(_,_)]) [((_,,_),(_,,_))]
+    (RJoin Γ Δ (Σ₁@@@(ec::nil)) (Σ₂@@@(ec::nil)) (τ₁@@@(ec::nil)) (τ₂@@@(ec::nil))).
+  (* need int/boolean case *)
+  Implicit Arguments Rule_PCF [ ].
+
+  Definition PCFRule lev h c := { r:_ & @Rule_PCF lev h c r }.
+  End PCF.
+
+  Definition mkEsc Γ Δ ec (h:Tree ??(PCFJudg Γ ec))
+    : ND Rule
+    (mapOptionTree (brakify Γ Δ) h)
+    (mapOptionTree (pcfjudg2judg Γ Δ ec) h).
+    apply nd_replicate; intros.
+    destruct o; simpl in *.
+    induction t0.
+    destruct a; simpl.
+    apply nd_rule.
+    apply REsc.
+    apply nd_id.
+    apply (Prelude_error "mkEsc got multi-leaf succedent").
+    Defined.
+
+  Definition mkBrak Γ Δ ec (h:Tree ??(PCFJudg Γ ec))
+    : ND Rule
+    (mapOptionTree (pcfjudg2judg Γ Δ ec) h)
+    (mapOptionTree (brakify Γ Δ) h).
+    apply nd_replicate; intros.
+    destruct o; simpl in *.
+    induction t0.
+    destruct a; simpl.
+    apply nd_rule.
+    apply RBrak.
+    apply nd_id.
+    apply (Prelude_error "mkBrak got multi-leaf succedent").
+    Defined.
+
+    (*
+  Definition Partition {Γ} ec (Σ:Tree ??(LeveledHaskType Γ ★)) :=
+    { vars:(_ * _) | 
+      fc_vars  ec Σ = fst vars /\
+      pcf_vars ec Σ = snd vars }.
+      *)
+
+  Definition pcfToND Γ Δ : forall ec h c,
+    ND (PCFRule Γ Δ ec) h c -> ND Rule (mapOptionTree (pcfjudg2judg Γ Δ ec) h) (mapOptionTree (pcfjudg2judg Γ Δ ec) c).
+    intros.
+    eapply (fun q => nd_map' _ q X).
+    intros.
+    destruct X0.
+    apply nd_rule.
+    apply x.
+    Defined.
+    
+  Instance OrgPCF Γ Δ lev : @ND_Relation _ (PCFRule Γ Δ lev) :=
+    { ndr_eqv := fun a b f g => (pcfToND  _ _ _ _ _ f) === (pcfToND _ _ _ _ _ g) }.
+    Admitted.
+
+  (*
+   * An intermediate representation necessitated by Coq's termination
+   * conditions.  This is basically a tree where each node is a
+   * subproof which is either entirely level-1 or entirely level-0
+   *)
+  Inductive Alternating : Tree ??Judg -> Type :=
+
+    | alt_nil    : Alternating []
+
+    | alt_branch : forall a b,
+      Alternating a -> Alternating b -> Alternating (a,,b)
+
+    | alt_fc     : forall h c,
+      Alternating h ->
+      ND Rule h c ->
+      Alternating c
+
+    | alt_pcf    : forall Γ Δ ec h c h' c',
+      MatchingJudgments Γ Δ  h  h' ->
+      MatchingJudgments Γ Δ  c  c' ->
+      Alternating h' ->
+      ND (PCFRule Γ Δ ec) h c ->
+      Alternating c'.
+
+  Require Import Coq.Logic.Eqdep.
+(*
+  Lemma magic a b c d ec e :
+    ClosedSIND(Rule:=Rule) [a > b > c |- [d @@  (ec :: e)]] ->
+    ClosedSIND(Rule:=Rule) [a > b > pcf_vars ec c @@@ (ec :: nil) |- [d @@  (ec :: nil)]].
+    admit.
+    Defined.
+
+  Definition orgify : forall Γ Δ Σ τ (pf:ClosedSIND(Rule:=Rule) [Γ > Δ > Σ |- τ]), Alternating [Γ > Δ > Σ |- τ].
+
+    refine (
+      fix  orgify_fc' Γ Δ Σ τ (pf:ClosedSIND [Γ > Δ > Σ |- τ]) {struct pf} : Alternating [Γ > Δ > Σ |- τ] :=
+        let case_main := tt in _
+      with orgify_fc c (pf:ClosedSIND c) {struct pf} : Alternating c :=
+      (match c as C return C=c -> Alternating C with
+        | T_Leaf None                    => fun _ => alt_nil
+        | T_Leaf (Some (Γ > Δ > Σ |- τ)) => let case_leaf := tt in fun eqpf => _
+        | T_Branch b1 b2                 => let case_branch := tt in fun eqpf => _
+      end (refl_equal _))
+      with orgify_pcf   Γ Δ ec pcfj j (m:MatchingJudgments Γ Δ pcfj j)
+        (pf:ClosedSIND (mapOptionTree (pcfjudg2judg Γ Δ ec) pcfj)) {struct pf} : Alternating j :=
+        let case_pcf := tt in _
+      for orgify_fc').
+
+      destruct case_main.
+      inversion pf; subst.
+      set (alt_fc _ _ (orgify_fc _ X) (nd_rule X0)) as backup.
+      refine (match X0 as R in Rule H C return
+                match C with
+                  | T_Leaf (Some (Γ > Δ > Σ |- τ)) =>
+                    h=H -> Alternating [Γ > Δ > Σ |- τ] -> Alternating [Γ > Δ > Σ |- τ]
+                  | _                              => True
+                end
+                 with
+                | RBrak   Σ a b c n m           => let case_RBrak := tt         in fun pf' backup => _
+                | REsc    Σ a b c n m           => let case_REsc := tt          in fun pf' backup => _
+                | _ => fun pf' x => x
+              end (refl_equal _) backup).
+      clear backup0 backup.
+
+      destruct case_RBrak.
+        rename c into ec.
+        set (@match_leaf Σ0 a ec n [b] m) as q.
+        set (orgify_pcf Σ0 a ec _ _ q) as q'.
+        apply q'.
+        simpl.
+        rewrite pf' in X.
+        apply magic in X.
+        apply X.
+
+      destruct case_REsc.
+        apply (Prelude_error "encountered Esc in wrong side of mkalt").
+
+    destruct case_leaf.
+      apply orgify_fc'.
+      rewrite eqpf.
+      apply pf.
+
+    destruct case_branch.
+      rewrite <- eqpf in pf.
+      inversion pf; subst.
+      apply no_rules_with_multiple_conclusions in X0.
+      inversion X0.
+      exists b1. exists b2.
+      auto.
+      apply (alt_branch _ _ (orgify_fc _ X) (orgify_fc _ X0)).
+
+    destruct case_pcf.
+    Admitted.
+
+  Definition pcfify Γ Δ ec : forall Σ τ,
+    ClosedSIND(Rule:=Rule) [ Γ > Δ > Σ@@@(ec::nil) |- τ @@@ (ec::nil)]
+      -> ND (PCFRule Γ Δ ec) [] [(Σ,τ)].
+
+    refine ((
+      fix pcfify Σ τ (pn:@ClosedSIND _ Rule [ Γ > Δ > Σ@@@(ec::nil) |- τ @@@ (ec::nil)]) {struct pn}
+      : ND (PCFRule Γ Δ ec) [] [(Σ,τ)] :=
+     (match pn in @ClosedSIND _ _ J return J=[Γ > Δ > Σ@@@(ec::nil) |- τ @@@ (ec::nil)] -> _ with
+      | cnd_weak             => let case_nil    := tt in _
+      | cnd_rule h c cnd' r  => let case_rule   := tt in _
+      | cnd_branch _ _ c1 c2 => let case_branch := tt in _
+      end (refl_equal _)))).
+      intros.
+      inversion H.
+      intros.
+      destruct c; try destruct o; inversion H.
+      destruct j.
+      Admitted.
+*)
+    
+  Hint Constructors Rule_Flat.
+
+  Definition PCF_Arrange {Γ}{Δ}{lev} : forall x y z, Arrange x y -> ND (PCFRule Γ Δ lev) [(x,z)] [(y,z)].
+    admit.
+    Defined.
+
+  Definition PCF_cut Γ Δ lev : forall a b c, ND (PCFRule Γ Δ lev) ([(a,b)],,[(b,c)]) [(a,c)].
+    intros.
+    destruct b.
+    destruct o.
+    destruct c.
+    destruct o.
+
+    (* when the cut is a single leaf and the RHS is a single leaf: *)
+    eapply nd_comp.
+      eapply nd_prod.
+      apply nd_id.
+      apply (PCF_Arrange [h] ([],,[h]) [h0]).
+      apply RuCanL.
+      eapply nd_comp; [ idtac | apply (PCF_Arrange ([],,a) a [h0]); apply RCanL ].
+      apply nd_rule.
+      (*
+      set (@RLet Γ Δ [] (a@@@(ec::nil)) h0 h (ec::nil)) as q.
+      exists q.
+      apply (PCF_RLet _ [] a h0 h).
+    apply (Prelude_error "cut rule invoked with [a|=[b]] [[b]|=[]]").
+    apply (Prelude_error "cut rule invoked with [a|=[b]] [[b]|=[x,,y]]").
+    apply (Prelude_error "cut rule invoked with [a|=[]]  [[]|=c]").
+    apply (Prelude_error "cut rule invoked with [a|=[b,,c]] [[b,,c]|=z]").
+    *)
+    Admitted.
+
+  Instance PCF_sequents Γ Δ lev ec : @SequentND _ (PCFRule Γ Δ lev) _ (pcfjudg Γ ec) :=
+    { snd_cut := PCF_cut Γ Δ lev }.
+    apply Build_SequentND.
+    intros.
+    induction a.
+    destruct a; simpl.
+    apply nd_rule.
+      exists (RVar _ _ _ _).
+      apply PCF_RVar.
+    apply nd_rule.
+      exists (RVoid _ _ ).
+      apply PCF_RVoid.
+    eapply nd_comp.
+      eapply nd_comp; [ apply nd_llecnac | idtac ].
+      apply (nd_prod IHa1 IHa2).
+      apply nd_rule.
+        exists (RJoin _ _ _ _ _ _). 
+        apply PCF_RJoin.
+      admit.
+        Defined.
+
+  Definition PCF_left Γ Δ lev a b c : ND (PCFRule Γ Δ lev) [(b,c)] [((a,,b),(a,,c))].
+    eapply nd_comp; [ apply nd_llecnac | eapply nd_comp; [ idtac | idtac ] ].
+    eapply nd_prod; [ apply snd_initial | apply nd_id ].
+    apply nd_rule.
+    set (@PCF_RJoin Γ Δ lev a b a c) as q'.
+    refine (existT _ _ _).
+    apply q'.
+    Admitted.
+
+  Definition PCF_right Γ Δ lev a b c : ND (PCFRule Γ Δ lev) [(b,c)] [((b,,a),(c,,a))].
+    eapply nd_comp; [ apply nd_rlecnac | eapply nd_comp; [ idtac | idtac ] ].
+    eapply nd_prod; [ apply nd_id | apply snd_initial ].
+    apply nd_rule.
+    set (@PCF_RJoin Γ Δ lev b a c a) as q'.
+    refine (existT _ _ _).
+    apply q'.
+    Admitted.
+
+  Instance PCF_sequent_join Γ Δ lev : @ContextND _ (PCFRule Γ Δ lev) _ (pcfjudg Γ lev) _ :=
+  { cnd_expand_left  := fun a b c => PCF_left  Γ Δ lev c a b
+  ; cnd_expand_right := fun a b c => PCF_right Γ Δ lev c a b }.
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RCossa _ _ _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev ((a,,b),,c) (a,,(b,,c)) x).
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RAssoc _ _ _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev (a,,(b,,c)) ((a,,b),,c) x).
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RCanL _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev ([],,a) _ _).
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RCanR _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev (a,,[]) _ _).
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RuCanL _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev _ ([],,a) _).
+
+    intros; apply nd_rule. unfold PCFRule. simpl.
+      exists (RArrange _ _ _ _ _ (RuCanR _)).
+      apply (PCF_RArrange _ _ lev _ (a,,[]) _).
+      Defined.
+
+  Instance OrgPCF_SequentND_Relation Γ Δ lev : SequentND_Relation (PCF_sequent_join Γ Δ lev) (OrgPCF Γ Δ lev).
+    admit.
+    Defined.
+
+  Definition OrgPCF_ContextND_Relation Γ Δ lev
+    : @ContextND_Relation _ _ _ _ _ (PCF_sequent_join Γ Δ lev) (OrgPCF Γ Δ lev) (OrgPCF_SequentND_Relation Γ Δ lev).
+    admit.
+    Defined.
+
+  (* 5.1.3 *)
+  Instance PCF Γ Δ lev : ProgrammingLanguage :=
+  { pl_cnd     := PCF_sequent_join Γ Δ lev
+  ; pl_eqv     := OrgPCF_ContextND_Relation Γ Δ lev
+  }.
+
+End PCF.