A (final) re-engineering of the new typechecker
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcCanonical.lhs
1 \begin{code}
2 module TcCanonical(
3     mkCanonical, mkCanonicals, canWanteds, canGivens, canOccursCheck, canEq,
4  ) where
5
6 #include "HsVersions.h"
7
8 import BasicTypes 
9 import Type
10 import TcRnTypes
11
12 import TcType
13 import TcErrors
14 import Coercion
15 import Class
16 import TyCon
17 import TypeRep
18 import Name
19 import Var
20 import Outputable
21 import Control.Monad    ( when, zipWithM )
22 import MonadUtils
23 import Control.Applicative ( (<|>) )
24
25 import VarSet
26 import Bag
27
28 import HsBinds 
29
30 import Control.Monad  ( unless )
31 import TcSMonad  -- The TcS Monad 
32 \end{code}
33
34 Note [Canonicalisation]
35 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
36 * Converts (Constraint f) _which_does_not_contain_proper_implications_ to CanonicalCts
37 * Unary: treats individual constraints one at a time
38 * Does not do any zonking
39 * Lives in TcS monad so that it can create new skolem variables
40
41
42 %************************************************************************
43 %*                                                                      *
44 %*        Flattening (eliminating all function symbols)                 *
45 %*                                                                      *
46 %************************************************************************
47
48 Note [Flattening]
49 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
50   flatten ty  ==>   (xi, cc)
51     where
52       xi has no type functions
53       cc = Auxiliary given (equality) constraints constraining
54            the fresh type variables in xi.  Evidence for these 
55            is always the identity coercion, because internally the
56            fresh flattening skolem variables are actually identified
57            with the types they have been generated to stand in for.
58
59 Note that it is flatten's job to flatten *every type function it sees*.
60 flatten is only called on *arguments* to type functions, by canEqGiven.
61
62 Recall that in comments we use alpha[flat = ty] to represent a
63 flattening skolem variable alpha which has been generated to stand in
64 for ty.
65
66 ----- Example of flattening a constraint: ------
67   flatten (List (F (G Int)))  ==>  (xi, cc)
68     where
69       xi  = List alpha
70       cc  = { G Int ~ beta[flat = G Int],
71               F beta ~ alpha[flat = F beta] }
72 Here
73   * alpha and beta are 'flattening skolem variables'.
74   * All the constraints in cc are 'given', and all their coercion terms 
75     are the identity.
76
77 NB: Flattening Skolems only occur in canonical constraints, which
78 are never zonked, so we don't need to worry about zonking doing
79 accidental unflattening.
80
81 Note that we prefer to leave type synonyms unexpanded when possible,
82 so when the flattener encounters one, it first asks whether its
83 transitive expansion contains any type function applications.  If so,
84 it expands the synonym and proceeds; if not, it simply returns the
85 unexpanded synonym.
86
87 TODO: caching the information about whether transitive synonym
88 expansions contain any type function applications would speed things
89 up a bit; right now we waste a lot of energy traversing the same types
90 multiple times.
91
92 \begin{code}
93 -- Flatten a bunch of types all at once.
94 flattenMany :: CtFlavor -> [Type] -> TcS ([Xi], [Coercion], CanonicalCts)
95 -- Coercions :: Xi ~ Type 
96 flattenMany ctxt tys 
97   = do { (xis, cos, cts_s) <- mapAndUnzip3M (flatten ctxt) tys
98        ; return (xis, cos, andCCans cts_s) }
99
100 -- Flatten a type to get rid of type function applications, returning
101 -- the new type-function-free type, and a collection of new equality
102 -- constraints.  See Note [Flattening] for more detail.
103 flatten :: CtFlavor -> TcType -> TcS (Xi, Coercion, CanonicalCts)
104 -- Postcondition: Coercion :: Xi ~ TcType 
105 flatten ctxt ty 
106   | Just ty' <- tcView ty
107   = do { (xi, co, ccs) <- flatten ctxt ty'
108         -- Preserve type synonyms if possible
109         -- We can tell if ty' is function-free by
110         -- whether there are any floated constraints
111        ; if isEmptyCCan ccs then
112              return (ty, ty, emptyCCan)  
113          else
114              return (xi, co, ccs) }
115
116 flatten _ v@(TyVarTy _)
117   = return (v, v, emptyCCan)
118
119 flatten ctxt (AppTy ty1 ty2)
120   = do { (xi1,co1,c1) <- flatten ctxt ty1
121        ; (xi2,co2,c2) <- flatten ctxt ty2
122        ; return (mkAppTy xi1 xi2, mkAppCoercion co1 co2, c1 `andCCan` c2) }
123
124 flatten ctxt (FunTy ty1 ty2)
125   = do { (xi1,co1,c1) <- flatten ctxt ty1
126        ; (xi2,co2,c2) <- flatten ctxt ty2
127        ; return (mkFunTy xi1 xi2, mkFunCoercion co1 co2, c1 `andCCan` c2) }
128
129 flatten fl (TyConApp tc tys)
130   -- For a normal type constructor or data family application, we just
131   -- recursively flatten the arguments.
132   | not (isSynFamilyTyCon tc)
133     = do { (xis,cos,ccs) <- flattenMany fl tys
134          ; return (mkTyConApp tc xis, mkTyConCoercion tc cos, ccs) }
135
136   -- Otherwise, it's a type function application, and we have to
137   -- flatten it away as well, and generate a new given equality constraint
138   -- between the application and a newly generated flattening skolem variable.
139   | otherwise 
140   = ASSERT( tyConArity tc <= length tys )       -- Type functions are saturated
141       do { (xis, cos, ccs) <- flattenMany fl tys
142          ; let (xi_args, xi_rest)  = splitAt (tyConArity tc) xis
143                (cos_args, cos_rest) = splitAt (tyConArity tc) cos 
144                  -- The type function might be *over* saturated
145                  -- in which case the remaining arguments should
146                  -- be dealt with by AppTys
147                fam_ty = mkTyConApp tc xi_args 
148                fam_co = fam_ty -- identity 
149
150          ; (ret_co, rhs_var, ct) <- 
151              if isGiven fl then
152                do { rhs_var <- newFlattenSkolemTy fam_ty
153                   ; cv <- newGivOrDerCoVar fam_ty rhs_var fam_co
154                   ; let ct = CFunEqCan { cc_id     = cv
155                                        , cc_flavor = fl -- Given
156                                        , cc_fun    = tc 
157                                        , cc_tyargs = xi_args 
158                                        , cc_rhs    = rhs_var }
159                   ; return $ (mkCoVarCoercion cv, rhs_var, ct) }
160              else -- Derived or Wanted: make a new *unification* flatten variable
161                do { rhs_var <- newFlexiTcSTy (typeKind fam_ty)
162                   ; cv <- newWantedCoVar fam_ty rhs_var
163                   ; let ct = CFunEqCan { cc_id = cv
164                                        , cc_flavor = mkWantedFlavor fl
165                                            -- Always Wanted, not Derived
166                                        , cc_fun = tc
167                                        , cc_tyargs = xi_args
168                                        , cc_rhs    = rhs_var }
169                   ; return $ (mkCoVarCoercion cv, rhs_var, ct) }
170
171          ; return ( foldl AppTy rhs_var xi_rest
172                   , foldl AppTy (mkSymCoercion ret_co 
173                                     `mkTransCoercion` mkTyConCoercion tc cos_args) cos_rest
174                   , ccs `extendCCans` ct) }
175
176
177 flatten ctxt (PredTy pred) 
178   = do { (pred', co, ccs) <- flattenPred ctxt pred
179        ; return (PredTy pred', co, ccs) }
180
181 flatten ctxt ty@(ForAllTy {})
182 -- We allow for-alls when, but only when, no type function
183 -- applications inside the forall involve the bound type variables
184 -- TODO: What if it is a (t1 ~ t2) => t3
185 --       Must revisit when the New Coercion API is here! 
186   = do { let (tvs, rho) = splitForAllTys ty
187        ; (rho', co, ccs) <- flatten ctxt rho
188        ; let bad_eqs  = filterBag is_bad ccs
189              is_bad c = tyVarsOfCanonical c `intersectsVarSet` tv_set
190              tv_set   = mkVarSet tvs
191        ; unless (isEmptyBag bad_eqs)
192                 (flattenForAllErrorTcS ctxt ty bad_eqs)
193        ; return (mkForAllTys tvs rho', mkForAllTys tvs co, ccs)  }
194
195 ---------------
196 flattenPred :: CtFlavor -> TcPredType -> TcS (TcPredType, Coercion, CanonicalCts)
197 flattenPred ctxt (ClassP cls tys)
198   = do { (tys', cos, ccs) <- flattenMany ctxt tys
199        ; return (ClassP cls tys', mkClassPPredCo cls cos, ccs) }
200 flattenPred ctxt (IParam nm ty)
201   = do { (ty', co, ccs) <- flatten ctxt ty
202        ; return (IParam nm ty', mkIParamPredCo nm co, ccs) }
203 -- TODO: Handling of coercions between EqPreds must be revisited once the New Coercion API is ready!
204 flattenPred ctxt (EqPred ty1 ty2)
205   = do { (ty1', co1, ccs1) <- flatten ctxt ty1
206        ; (ty2', co2, ccs2) <- flatten ctxt ty2
207        ; return (EqPred ty1' ty2', mkEqPredCo co1 co2, ccs1 `andCCan` ccs2) }
208
209 \end{code}
210
211 %************************************************************************
212 %*                                                                      *
213 %*                Canonicalising given constraints                      *
214 %*                                                                      *
215 %************************************************************************
216
217 \begin{code}
218 canWanteds :: [WantedEvVar] -> TcS CanonicalCts 
219 canWanteds = fmap andCCans . mapM (\(WantedEvVar ev loc) -> mkCanonical (Wanted loc) ev)
220
221 canGivens :: GivenLoc -> [EvVar] -> TcS CanonicalCts
222 canGivens loc givens = do { ccs <- mapM (mkCanonical (Given loc)) givens
223                           ; return (andCCans ccs) }
224
225 mkCanonicals :: CtFlavor -> [EvVar] -> TcS CanonicalCts 
226 mkCanonicals fl vs = fmap andCCans (mapM (mkCanonical fl) vs)
227
228 mkCanonical :: CtFlavor -> EvVar -> TcS CanonicalCts 
229 mkCanonical fl ev = case evVarPred ev of 
230                         ClassP clas tys -> canClass fl ev clas tys 
231                         IParam ip ty    -> canIP    fl ev ip ty
232                         EqPred ty1 ty2  -> canEq    fl ev ty1 ty2 
233                          
234
235 canClass :: CtFlavor -> EvVar -> Class -> [TcType] -> TcS CanonicalCts 
236 canClass fl v cn tys 
237   = do { (xis,cos,ccs) <- flattenMany fl tys  -- cos :: xis ~ tys
238        ; let no_flattening_happened = isEmptyCCan ccs
239              dict_co = mkTyConCoercion (classTyCon cn) cos
240        ; v_new <- if no_flattening_happened then return v
241                   else if isGiven fl        then return v
242                          -- The cos are all identities if fl=Given,
243                          -- hence nothing to do
244                   else do { v' <- newDictVar cn xis  -- D xis
245                           ; if isWanted fl
246                             then setDictBind v  (EvCast v' dict_co)
247                             else setDictBind v' (EvCast v (mkSymCoercion dict_co))
248                           ; return v' }
249
250        ; return (ccs `extendCCans` CDictCan { cc_id     = v_new
251                                             , cc_flavor = fl
252                                             , cc_class  = cn 
253                                             , cc_tyargs = xis }) }
254
255 canIP :: CtFlavor -> EvVar -> IPName Name -> TcType -> TcS CanonicalCts
256 -- See Note [Canonical implicit parameter constraints] to see why we don't 
257 -- immediately canonicalize (flatten) IP constraints. 
258 canIP fl v nm ty 
259   = return $ singleCCan $ CIPCan { cc_id = v
260                                  , cc_flavor = fl
261                                  , cc_ip_nm = nm
262                                  , cc_ip_ty = ty } 
263
264 -----------------
265 canEq :: CtFlavor -> EvVar -> Type -> Type -> TcS CanonicalCts 
266 canEq fl cv ty1 ty2 
267   | tcEqType ty1 ty2    -- Dealing with equality here avoids
268                         -- later spurious occurs checks for a~a
269   = do { when (isWanted fl) (setWantedCoBind cv ty1)
270        ; return emptyCCan }
271
272 -- If one side is a variable, orient and flatten, 
273 -- WITHOUT expanding type synonyms, so that we tend to 
274 -- substitute a ~ Age rather than a ~ Int when @type Age = Int@
275 canEq fl cv ty1@(TyVarTy {}) ty2 
276   = do { untch <- getUntouchables 
277        ; canEqLeaf untch fl cv (classify ty1) (classify ty2) }
278 canEq fl cv ty1 ty2@(TyVarTy {}) 
279   = do { untch <- getUntouchables 
280        ; canEqLeaf untch fl cv (classify ty1) (classify ty2) }
281       -- NB: don't use VarCls directly because tv1 or tv2 may be scolems!
282
283 canEq fl cv (TyConApp fn tys) ty2 
284   | isSynFamilyTyCon fn, length tys == tyConArity fn
285   = do { untch <- getUntouchables 
286        ; canEqLeaf untch fl cv (FunCls fn tys) (classify ty2) }
287 canEq fl cv ty1 (TyConApp fn tys)
288   | isSynFamilyTyCon fn, length tys == tyConArity fn
289   = do { untch <- getUntouchables 
290        ; canEqLeaf untch fl cv (classify ty1) (FunCls fn tys) }
291
292 canEq fl cv s1 s2
293   | Just (t1a,t1b,t1c) <- splitCoPredTy_maybe s1, 
294     Just (t2a,t2b,t2c) <- splitCoPredTy_maybe s2
295   = do { (v1,v2,v3) <- if isWanted fl then 
296                          do { v1 <- newWantedCoVar t1a t2a
297                             ; v2 <- newWantedCoVar t1b t2b 
298                             ; v3 <- newWantedCoVar t1c t2c 
299                             ; let res_co = mkCoPredCo (mkCoVarCoercion v1) 
300                                                       (mkCoVarCoercion v2) (mkCoVarCoercion v3)
301                             ; setWantedCoBind cv res_co
302                             ; return (v1,v2,v3) }
303                        else let co_orig = mkCoVarCoercion cv 
304                                 coa = mkCsel1Coercion co_orig
305                                 cob = mkCsel2Coercion co_orig
306                                 coc = mkCselRCoercion co_orig
307                             in do { v1 <- newGivOrDerCoVar t1a t2a coa
308                                   ; v2 <- newGivOrDerCoVar t1b t2b cob
309                                   ; v3 <- newGivOrDerCoVar t1c t2c coc 
310                                   ; return (v1,v2,v3) }
311        ; cc1 <- canEq fl v1 t1a t2a 
312        ; cc2 <- canEq fl v2 t1b t2b 
313        ; cc3 <- canEq fl v3 t1c t2c 
314        ; return (cc1 `andCCan` cc2 `andCCan` cc3) }
315
316
317 -- Split up an equality between function types into two equalities.
318 canEq fl cv (FunTy s1 t1) (FunTy s2 t2)
319   = do { (argv, resv) <- 
320              if isWanted fl then 
321                  do { argv <- newWantedCoVar s1 s2 
322                     ; resv <- newWantedCoVar t1 t2 
323                     ; setWantedCoBind cv $ 
324                       mkFunCoercion (mkCoVarCoercion argv) (mkCoVarCoercion resv) 
325                     ; return (argv,resv) } 
326              else let [arg,res] = decomposeCo 2 (mkCoVarCoercion cv) 
327                   in do { argv <- newGivOrDerCoVar s1 s2 arg 
328                         ; resv <- newGivOrDerCoVar t1 t2 res
329                         ; return (argv,resv) } 
330        ; cc1 <- canEq fl argv s1 s2 -- inherit original kinds and locations
331        ; cc2 <- canEq fl resv t1 t2
332        ; return (cc1 `andCCan` cc2) }
333
334 canEq fl cv (PredTy (IParam n1 t1)) (PredTy (IParam n2 t2))
335   | n1 == n2
336   = if isWanted fl then 
337         do { v <- newWantedCoVar t1 t2 
338            ; setWantedCoBind cv $ mkIParamPredCo n1 (mkCoVarCoercion cv)
339            ; canEq fl v t1 t2 } 
340     else return emptyCCan -- DV: How to decompose given IP coercions? 
341
342 canEq fl cv (PredTy (ClassP c1 tys1)) (PredTy (ClassP c2 tys2))
343   | c1 == c2
344   = if isWanted fl then 
345        do { vs <- zipWithM newWantedCoVar tys1 tys2 
346           ; setWantedCoBind cv $ mkClassPPredCo c1 (map mkCoVarCoercion vs) 
347           ; andCCans <$> zipWith3M (canEq fl) vs tys1 tys2
348           }
349     else return emptyCCan 
350   -- How to decompose given dictionary (and implicit parameter) coercions? 
351   -- You may think that the following is right: 
352   --    let cos = decomposeCo (length tys1) (mkCoVarCoercion cv) 
353   --    in  zipWith3M newGivOrDerCoVar tys1 tys2 cos
354   -- But this assumes that the coercion is a type constructor-based 
355   -- coercion, and not a PredTy (ClassP cn cos) coercion. So we chose
356   -- to not decompose these coercions. We have to get back to this 
357   -- when we clean up the Coercion API.
358
359 canEq fl cv (TyConApp tc1 tys1) (TyConApp tc2 tys2)
360   | isAlgTyCon tc1 && isAlgTyCon tc2
361   , tc1 == tc2
362   , length tys1 == length tys2
363   = -- Generate equalities for each of the corresponding arguments
364     do { argsv <- if isWanted fl then
365                     do { argsv <- zipWithM newWantedCoVar tys1 tys2
366                             ; setWantedCoBind cv $ mkTyConCoercion tc1 (map mkCoVarCoercion argsv)
367                             ; return argsv } 
368                   else 
369                     let cos = decomposeCo (length tys1) (mkCoVarCoercion cv) 
370                     in zipWith3M newGivOrDerCoVar tys1 tys2 cos
371        ; andCCans <$> zipWith3M (canEq fl) argsv tys1 tys2 }
372
373 -- See Note [Equality between type applications]
374 --     Note [Care with type applications] in TcUnify
375 canEq fl cv ty1 ty2
376   | Just (s1,t1) <- tcSplitAppTy_maybe ty1
377   , Just (s2,t2) <- tcSplitAppTy_maybe ty2
378     = do { (cv1,cv2) <- 
379              if isWanted fl 
380              then do { cv1 <- newWantedCoVar s1 s2 
381                      ; cv2 <- newWantedCoVar t1 t2 
382                      ; setWantedCoBind cv $ 
383                        mkAppCoercion (mkCoVarCoercion cv1) (mkCoVarCoercion cv2) 
384                      ; return (cv1,cv2) } 
385              else let co1 = mkLeftCoercion  $ mkCoVarCoercion cv 
386                       co2 = mkRightCoercion $ mkCoVarCoercion cv
387                   in do { cv1 <- newGivOrDerCoVar s1 s2 co1 
388                         ; cv2 <- newGivOrDerCoVar t1 t2 co2 
389                         ; return (cv1,cv2) } 
390          ; cc1 <- canEq fl cv1 s1 s2 
391          ; cc2 <- canEq fl cv2 t1 t2 
392          ; return (cc1 `andCCan` cc2) } 
393
394 canEq fl _ s1@(ForAllTy {}) s2@(ForAllTy {})  
395  | tcIsForAllTy s1, tcIsForAllTy s2, 
396    Wanted {} <- fl 
397  = canEqFailure fl s1 s2
398  | otherwise
399  = do { traceTcS "Ommitting decomposition of given polytype equality" (pprEq s1 s2)
400       ; return emptyCCan }
401
402 -- Finally expand any type synonym applications.
403 canEq fl cv ty1 ty2 | Just ty1' <- tcView ty1 = canEq fl cv ty1' ty2
404 canEq fl cv ty1 ty2 | Just ty2' <- tcView ty2 = canEq fl cv ty1 ty2'
405 canEq fl _  ty1 ty2                           = canEqFailure fl ty1 ty2
406
407 canEqFailure :: CtFlavor -> Type -> Type -> TcS CanonicalCts
408 canEqFailure fl ty1 ty2
409   = do { addErrorTcS MisMatchError fl ty1 ty2
410        ; return emptyCCan }
411 \end{code}
412
413 Note [Equality between type applications]
414 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
415 If we see an equality of the form s1 t1 ~ s2 t2 we can always split
416 it up into s1 ~ s2 /\ t1 ~ t2, since s1 and s2 can't be type
417 functions (type functions use the TyConApp constructor, which never
418 shows up as the LHS of an AppTy).  Other than type functions, types
419 in Haskell are always 
420
421   (1) generative: a b ~ c d implies a ~ c, since different type
422       constructors always generate distinct types
423
424   (2) injective: a b ~ a d implies b ~ d; we never generate the
425       same type from different type arguments.
426
427
428 Note [Canonical ordering for equality constraints]
429 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
430 Implemented as (<+=) below:
431
432   - Type function applications always come before anything else.  
433   - Variables always come before non-variables (other than type
434       function applications).
435
436 Note that we don't need to unfold type synonyms on the RHS to check
437 the ordering; that is, in the rules above it's OK to consider only
438 whether something is *syntactically* a type function application or
439 not.  To illustrate why this is OK, suppose we have an equality of the
440 form 'tv ~ S a b c', where S is a type synonym which expands to a
441 top-level application of the type function F, something like
442
443   type S a b c = F d e
444
445 Then to canonicalize 'tv ~ S a b c' we flatten the RHS, and since S's
446 expansion contains type function applications the flattener will do
447 the expansion and then generate a skolem variable for the type
448 function application, so we end up with something like this:
449
450   tv ~ x
451   F d e ~ x
452
453 where x is the skolem variable.  This is one extra equation than
454 absolutely necessary (we could have gotten away with just 'F d e ~ tv'
455 if we had noticed that S expanded to a top-level type function
456 application and flipped it around in the first place) but this way
457 keeps the code simpler.
458
459 Unlike the OutsideIn(X) draft of May 7, 2010, we do not care about the
460 ordering of tv ~ tv constraints.  There are several reasons why we
461 might:
462
463   (1) In order to be able to extract a substitution that doesn't
464       mention untouchable variables after we are done solving, we might
465       prefer to put touchable variables on the left. However, in and
466       of itself this isn't necessary; we can always re-orient equality
467       constraints at the end if necessary when extracting a substitution.
468
469   (2) To ensure termination we might think it necessary to put
470       variables in lexicographic order. However, this isn't actually 
471       necessary as outlined below.
472
473 While building up an inert set of canonical constraints, we maintain
474 the invariant that the equality constraints in the inert set form an
475 acyclic rewrite system when viewed as L-R rewrite rules.  Moreover,
476 the given constraints form an idempotent substitution (i.e. none of
477 the variables on the LHS occur in any of the RHS's, and type functions
478 never show up in the RHS at all), the wanted constraints also form an
479 idempotent substitution, and finally the LHS of a given constraint
480 never shows up on the RHS of a wanted constraint.  There may, however,
481 be a wanted LHS that shows up in a given RHS, since we do not rewrite
482 given constraints with wanted constraints.
483
484 Suppose we have an inert constraint set
485
486
487   tg_1 ~ xig_1         -- givens
488   tg_2 ~ xig_2
489   ...
490   tw_1 ~ xiw_1         -- wanteds
491   tw_2 ~ xiw_2
492   ...
493
494 where each t_i can be either a type variable or a type function
495 application. Now suppose we take a new canonical equality constraint,
496 t' ~ xi' (note among other things this means t' does not occur in xi')
497 and try to react it with the existing inert set.  We show by induction
498 on the number of t_i which occur in t' ~ xi' that this process will
499 terminate.
500
501 There are several ways t' ~ xi' could react with an existing constraint:
502
503 TODO: finish this proof.  The below was for the case where the entire
504 inert set is an idempotent subustitution...
505
506 (b) We could have t' = t_j for some j.  Then we obtain the new
507     equality xi_j ~ xi'; note that neither xi_j or xi' contain t_j.  We
508     now canonicalize the new equality, which may involve decomposing it
509     into several canonical equalities, and recurse on these.  However,
510     none of the new equalities will contain t_j, so they have fewer
511     occurrences of the t_i than the original equation.
512
513 (a) We could have t_j occurring in xi' for some j, with t' /=
514     t_j. Then we substitute xi_j for t_j in xi' and continue.  However,
515     since none of the t_i occur in xi_j, we have decreased the
516     number of t_i that occur in xi', since we eliminated t_j and did not
517     introduce any new ones.
518
519 \begin{code}
520 data TypeClassifier 
521   = FskCls TcTyVar      -- ^ Flatten skolem 
522   | VarCls TcTyVar      -- ^ Non-flatten-skolem variable 
523   | FunCls TyCon [Type] -- ^ Type function, exactly saturated
524   | OtherCls TcType     -- ^ Neither of the above
525
526 unClassify :: TypeClassifier -> TcType
527 unClassify (VarCls tv)      = TyVarTy tv
528 unClassify (FskCls tv) = TyVarTy tv 
529 unClassify (FunCls fn tys)  = TyConApp fn tys
530 unClassify (OtherCls ty)    = ty
531
532 classify :: TcType -> TypeClassifier
533
534 classify (TyVarTy tv) 
535   | isTcTyVar tv, 
536     FlatSkol {} <- tcTyVarDetails tv = FskCls tv
537   | otherwise                        = VarCls tv
538 classify (TyConApp tc tys) | isSynFamilyTyCon tc
539                            , tyConArity tc == length tys
540                            = FunCls tc tys
541 classify ty                | Just ty' <- tcView ty
542                            = case classify ty' of
543                                OtherCls {} -> OtherCls ty
544                                var_or_fn   -> var_or_fn
545                            | otherwise 
546                            = OtherCls ty
547
548 -- See note [Canonical ordering for equality constraints].
549 reOrient :: Untouchables -> TypeClassifier -> TypeClassifier -> Bool    
550 -- (t1 `reOrient` t2) responds True 
551 --   iff we should flip to (t2~t1)
552 -- We try to say False if possible, to minimise evidence generation
553 --
554 -- Postcondition: After re-orienting, first arg is not OTherCls
555 reOrient _untch (OtherCls {}) (FunCls {})   = True
556 reOrient _untch (OtherCls {}) (FskCls {})   = True
557 reOrient _untch (OtherCls {}) (VarCls {})   = True
558 reOrient _untch (OtherCls {}) (OtherCls {}) = panic "reOrient"  -- One must be Var/Fun
559
560 reOrient _untch (FunCls {})   (VarCls {})    = False
561   -- See Note [No touchables as FunEq RHS] in TcSMonad
562 reOrient _untch (FunCls {}) _                = False             -- Fun/Other on rhs
563
564 reOrient _untch (VarCls {}) (FunCls {})      = True 
565
566 reOrient _untch (VarCls {}) (FskCls {})      = False
567
568 reOrient _untch (VarCls {})  (OtherCls {})   = False
569 reOrient _untch (VarCls tv1)  (VarCls tv2)  
570   | isMetaTyVar tv2 && not (isMetaTyVar tv1) = True 
571   | otherwise                                = False 
572   -- Just for efficiency, see CTyEqCan invariants 
573
574 reOrient _untch (FskCls {}) (VarCls tv2)     = isMetaTyVar tv2 
575   -- Just for efficiency, see CTyEqCan invariants
576
577 reOrient _untch (FskCls {}) (FskCls {})     = False
578 reOrient _untch (FskCls {}) (FunCls {})     = True 
579 reOrient _untch (FskCls {}) (OtherCls {})   = False 
580
581 ------------------
582 canEqLeaf :: Untouchables 
583           -> CtFlavor -> CoVar 
584           -> TypeClassifier -> TypeClassifier -> TcS CanonicalCts 
585 -- Canonicalizing "leaf" equality constraints which cannot be
586 -- decomposed further (ie one of the types is a variable or
587 -- saturated type function application).  
588
589   -- Preconditions: 
590   --    * one of the two arguments is not OtherCls
591   --    * the two types are not equal (looking through synonyms)
592 canEqLeaf untch fl cv cls1 cls2 
593   | cls1 `re_orient` cls2
594   = do { cv' <- if isWanted fl 
595                 then do { cv' <- newWantedCoVar s2 s1 
596                         ; setWantedCoBind cv $ mkSymCoercion (mkCoVarCoercion cv') 
597                         ; return cv' } 
598                 else newGivOrDerCoVar s2 s1 (mkSymCoercion (mkCoVarCoercion cv)) 
599        ; canEqLeafOriented fl cv' cls2 s1 }
600
601   | otherwise
602   = canEqLeafOriented fl cv cls1 s2
603   where
604     re_orient = reOrient untch 
605     s1 = unClassify cls1  
606     s2 = unClassify cls2  
607
608 ------------------
609 canEqLeafOriented :: CtFlavor -> CoVar 
610                   -> TypeClassifier -> TcType -> TcS CanonicalCts 
611 -- First argument is not OtherCls
612 canEqLeafOriented fl cv cls1@(FunCls fn tys1) s2         -- cv : F tys1
613   | let k1 = kindAppResult (tyConKind fn) tys1,
614     let k2 = typeKind s2, 
615     isGiven fl && not (k1 `compatKind` k2) -- Establish the kind invariant for CFunEqCan
616   = addErrorTcS KindError fl (unClassify cls1) s2 >> return emptyCCan
617     -- Eagerly fails, see Note [Kind errors] in TcInteract
618
619   | otherwise 
620   = ASSERT2( isSynFamilyTyCon fn, ppr (unClassify cls1) )
621     do { (xis1,cos1,ccs1) <- flattenMany fl tys1 -- Flatten type function arguments
622                                                  -- cos1 :: xis1 ~ tys1
623        ; (xi2, co2, ccs2) <- flatten fl s2       -- Flatten entire RHS
624                                                  -- co2  :: xi2 ~ s2
625        ; let ccs = ccs1 `andCCan` ccs2
626              no_flattening_happened = isEmptyCCan ccs
627        ; cv_new <- if no_flattening_happened then return cv
628                    else if isGiven fl        then return cv
629                    else do { cv' <- newWantedCoVar (unClassify (FunCls fn xis1)) xi2
630                                  -- cv' : F xis ~ xi2
631                            ; let -- fun_co :: F xis1 ~ F tys1
632                                  fun_co = mkTyConCoercion fn cos1
633                                  -- want_co :: F tys1 ~ s2
634                                  want_co = mkSymCoercion fun_co
635                                            `mkTransCoercion` mkCoVarCoercion cv'
636                                            `mkTransCoercion` co2
637                                  -- der_co :: F xis1 ~ xi2
638                                  der_co = fun_co
639                                           `mkTransCoercion` mkCoVarCoercion cv
640                                           `mkTransCoercion` mkSymCoercion co2
641                            ; if isWanted fl
642                              then setWantedCoBind cv  want_co
643                              else setWantedCoBind cv' der_co
644                            ; return cv' }
645
646        ; let final_cc = CFunEqCan { cc_id     = cv_new
647                                   , cc_flavor = fl
648                                   , cc_fun    = fn
649                                   , cc_tyargs = xis1 
650                                   , cc_rhs    = xi2 }
651        ; return $ ccs `extendCCans` final_cc }
652
653 -- Otherwise, we have a variable on the left, so call canEqLeafTyVarLeft
654 canEqLeafOriented fl cv (FskCls tv) s2 
655   = canEqLeafTyVarLeft fl cv tv s2 
656 canEqLeafOriented fl cv (VarCls tv) s2 
657   = canEqLeafTyVarLeft fl cv tv s2 
658 canEqLeafOriented _ cv (OtherCls ty1) ty2 
659   = pprPanic "canEqLeaf" (ppr cv $$ ppr ty1 $$ ppr ty2)
660
661 canEqLeafTyVarLeft :: CtFlavor -> CoVar -> TcTyVar -> TcType -> TcS CanonicalCts
662 -- Establish invariants of CTyEqCans 
663 canEqLeafTyVarLeft fl cv tv s2       -- cv : tv ~ s2
664   | isGiven fl && not (k1 `compatKind` k2) -- Establish the kind invariant for CTyEqCan
665   = addErrorTcS KindError fl (mkTyVarTy tv) s2 >> return emptyCCan
666        -- Eagerly fails, see Note [Kind errors] in TcInteract
667   | otherwise
668   = do { (xi2, co, ccs2) <- flatten fl s2  -- Flatten RHS   co : xi2 ~ s2
669        ; mxi2' <- canOccursCheck fl tv xi2 -- Do an occurs check, and return a possibly
670                                            -- unfolded version of the RHS, if we had to 
671                                            -- unfold any type synonyms to get rid of tv.
672        ; case mxi2' of {
673            Nothing   -> addErrorTcS OccCheckError fl (mkTyVarTy tv) xi2 >> return emptyCCan ;
674            Just xi2' ->
675     do { let no_flattening_happened = isEmptyCCan ccs2
676        ; cv_new <- if no_flattening_happened then return cv
677                    else if isGiven fl        then return cv
678                    else do { cv' <- newWantedCoVar (mkTyVarTy tv) xi2'  -- cv' : tv ~ xi2
679                            ; if isWanted fl
680                              then setWantedCoBind cv  (mkCoVarCoercion cv' `mkTransCoercion` co)
681                              else setWantedCoBind cv' (mkCoVarCoercion cv  `mkTransCoercion`
682                                                        mkSymCoercion co)
683                            ; return cv' }
684
685        ; return $ ccs2 `extendCCans` CTyEqCan { cc_id     = cv_new
686                                               , cc_flavor = fl
687                                               , cc_tyvar  = tv
688                                               , cc_rhs    = xi2' } } } }
689   where
690     k1 = tyVarKind tv
691     k2 = typeKind s2
692
693 -- See Note [Type synonyms and canonicalization].
694 -- Check whether the given variable occurs in the given type.  We may
695 -- have needed to do some type synonym unfolding in order to get rid
696 -- of the variable, so we also return the unfolded version of the
697 -- type, which is guaranteed to be syntactically free of the given
698 -- type variable.  If the type is already syntactically free of the
699 -- variable, then the same type is returned.
700 --
701 -- Precondition: the two types are not equal (looking though synonyms)
702 canOccursCheck :: CtFlavor -> TcTyVar -> Xi -> TcS (Maybe Xi)
703 canOccursCheck _gw tv xi = return (expandAway tv xi)
704 \end{code}
705
706 @expandAway tv xi@ expands synonyms in xi just enough to get rid of
707 occurrences of tv, if that is possible; otherwise, it returns Nothing.
708 For example, suppose we have
709   type F a b = [a]
710 Then
711   expandAway b (F Int b) = Just [Int]
712 but
713   expandAway a (F a Int) = Nothing
714
715 We don't promise to do the absolute minimum amount of expanding
716 necessary, but we try not to do expansions we don't need to.  We
717 prefer doing inner expansions first.  For example,
718   type F a b = (a, Int, a, [a])
719   type G b   = Char
720 We have
721   expandAway b (F (G b)) = F Char
722 even though we could also expand F to get rid of b.
723
724 \begin{code}
725 expandAway :: TcTyVar -> Xi -> Maybe Xi
726 expandAway tv t@(TyVarTy tv') 
727   | tv == tv' = Nothing
728   | otherwise = Just t
729 expandAway tv xi
730   | not (tv `elemVarSet` tyVarsOfType xi) = Just xi
731 expandAway tv (AppTy ty1 ty2) 
732   = do { ty1' <- expandAway tv ty1
733        ; ty2' <- expandAway tv ty2 
734        ; return (mkAppTy ty1' ty2') }
735 -- mkAppTy <$> expandAway tv ty1 <*> expandAway tv ty2
736 expandAway tv (FunTy ty1 ty2)
737   = do { ty1' <- expandAway tv ty1 
738        ; ty2' <- expandAway tv ty2 
739        ; return (mkFunTy ty1' ty2') } 
740 -- mkFunTy <$> expandAway tv ty1 <*> expandAway tv ty2
741 expandAway tv ty@(ForAllTy {}) 
742   = let (tvs,rho) = splitForAllTys ty
743         tvs_knds  = map tyVarKind tvs 
744     in if tv `elemVarSet` tyVarsOfTypes tvs_knds then 
745        -- Can't expand away the kinds unless we create 
746        -- fresh variables which we don't want to do at this point.
747            Nothing 
748        else do { rho' <- expandAway tv rho
749                ; return (mkForAllTys tvs rho') }
750 expandAway tv (PredTy pred) 
751   = do { pred' <- expandAwayPred tv pred  
752        ; return (PredTy pred') }
753 -- For a type constructor application, first try expanding away the
754 -- offending variable from the arguments.  If that doesn't work, next
755 -- see if the type constructor is a type synonym, and if so, expand
756 -- it and try again.
757 expandAway tv ty@(TyConApp tc tys)
758   = (mkTyConApp tc <$> mapM (expandAway tv) tys) <|> (tcView ty >>= expandAway tv)
759
760 expandAwayPred :: TcTyVar -> TcPredType -> Maybe TcPredType 
761 expandAwayPred tv (ClassP cls tys) 
762   = do { tys' <- mapM (expandAway tv) tys; return (ClassP cls tys') } 
763 expandAwayPred tv (EqPred ty1 ty2)
764   = do { ty1' <- expandAway tv ty1
765        ; ty2' <- expandAway tv ty2 
766        ; return (EqPred ty1' ty2') }
767 expandAwayPred tv (IParam nm ty) 
768   = do { ty' <- expandAway tv ty
769        ; return (IParam nm ty') }
770
771                 
772
773 \end{code}
774
775 Note [Type synonyms and canonicalization]
776 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
777
778 We treat type synonym applications as xi types, that is, they do not
779 count as type function applications.  However, we do need to be a bit
780 careful with type synonyms: like type functions they may not be
781 generative or injective.  However, unlike type functions, they are
782 parametric, so there is no problem in expanding them whenever we see
783 them, since we do not need to know anything about their arguments in
784 order to expand them; this is what justifies not having to treat them
785 as specially as type function applications.  The thing that causes
786 some subtleties is that we prefer to leave type synonym applications
787 *unexpanded* whenever possible, in order to generate better error
788 messages.
789
790 If we encounter an equality constraint with type synonym applications
791 on both sides, or a type synonym application on one side and some sort
792 of type application on the other, we simply must expand out the type
793 synonyms in order to continue decomposing the equality constraint into
794 primitive equality constraints.  For example, suppose we have
795
796   type F a = [Int]
797
798 and we encounter the equality
799
800   F a ~ [b]
801
802 In order to continue we must expand F a into [Int], giving us the
803 equality
804
805   [Int] ~ [b]
806
807 which we can then decompose into the more primitive equality
808 constraint
809
810   Int ~ b.
811
812 However, if we encounter an equality constraint with a type synonym
813 application on one side and a variable on the other side, we should
814 NOT (necessarily) expand the type synonym, since for the purpose of
815 good error messages we want to leave type synonyms unexpanded as much
816 as possible.
817
818 However, there is a subtle point with type synonyms and the occurs
819 check that takes place for equality constraints of the form tv ~ xi.
820 As an example, suppose we have
821
822   type F a = Int
823
824 and we come across the equality constraint
825
826   a ~ F a
827
828 This should not actually fail the occurs check, since expanding out
829 the type synonym results in the legitimate equality constraint a ~
830 Int.  We must actually do this expansion, because unifying a with F a
831 will lead the type checker into infinite loops later.  Put another
832 way, canonical equality constraints should never *syntactically*
833 contain the LHS variable in the RHS type.  However, we don't always
834 need to expand type synonyms when doing an occurs check; for example,
835 the constraint
836
837   a ~ F b
838
839 is obviously fine no matter what F expands to. And in this case we
840 would rather unify a with F b (rather than F b's expansion) in order
841 to get better error messages later.
842
843 So, when doing an occurs check with a type synonym application on the
844 RHS, we use some heuristics to find an expansion of the RHS which does
845 not contain the variable from the LHS.  In particular, given
846
847   a ~ F t1 ... tn
848
849 we first try expanding each of the ti to types which no longer contain
850 a.  If this turns out to be impossible, we next try expanding F
851 itself, and so on.
852
853
854