a273b4ae1795d7593b64c69463aeb5a9f94756f0
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcDeriv.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 Handles @deriving@ clauses on @data@ declarations.
7
8 \begin{code}
9 module TcDeriv ( tcDeriving ) where
10
11 #include "HsVersions.h"
12
13 import HsSyn
14 import DynFlags
15
16 import Generics
17 import TcRnMonad
18 import TcEnv
19 import TcClassDcl( tcAddDeclCtxt )      -- Small helper
20 import TcGenDeriv                       -- Deriv stuff
21 import InstEnv
22 import Inst
23 import TcHsType
24 import TcMType
25 import TcSimplify
26
27 import RnBinds
28 import RnEnv
29 import HscTypes
30
31 import Class
32 import Type
33 import ErrUtils
34 import MkId
35 import DataCon
36 import Maybes
37 import RdrName
38 import Name
39 import NameSet
40 import TyCon
41 import TcType
42 import Var
43 import VarSet
44 import PrelNames
45 import SrcLoc
46 import Util
47 import ListSetOps
48 import Outputable
49 import Bag
50 \end{code}
51
52 %************************************************************************
53 %*                                                                      *
54 \subsection[TcDeriv-intro]{Introduction to how we do deriving}
55 %*                                                                      *
56 %************************************************************************
57
58 Consider
59
60         data T a b = C1 (Foo a) (Bar b)
61                    | C2 Int (T b a)
62                    | C3 (T a a)
63                    deriving (Eq)
64
65 [NOTE: See end of these comments for what to do with 
66         data (C a, D b) => T a b = ...
67 ]
68
69 We want to come up with an instance declaration of the form
70
71         instance (Ping a, Pong b, ...) => Eq (T a b) where
72                 x == y = ...
73
74 It is pretty easy, albeit tedious, to fill in the code "...".  The
75 trick is to figure out what the context for the instance decl is,
76 namely @Ping@, @Pong@ and friends.
77
78 Let's call the context reqd for the T instance of class C at types
79 (a,b, ...)  C (T a b).  Thus:
80
81         Eq (T a b) = (Ping a, Pong b, ...)
82
83 Now we can get a (recursive) equation from the @data@ decl:
84
85         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
86                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
87                    u Eq (T a a)                 -- From C3
88
89 Foo and Bar may have explicit instances for @Eq@, in which case we can
90 just substitute for them.  Alternatively, either or both may have
91 their @Eq@ instances given by @deriving@ clauses, in which case they
92 form part of the system of equations.
93
94 Now all we need do is simplify and solve the equations, iterating to
95 find the least fixpoint.  Notice that the order of the arguments can
96 switch around, as here in the recursive calls to T.
97
98 Let's suppose Eq (Foo a) = Eq a, and Eq (Bar b) = Ping b.
99
100 We start with:
101
102         Eq (T a b) = {}         -- The empty set
103
104 Next iteration:
105         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
106                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
107                    u Eq (T a a)                 -- From C3
108
109         After simplification:
110                    = Eq a u Ping b u {} u {} u {}
111                    = Eq a u Ping b
112
113 Next iteration:
114
115         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
116                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
117                    u Eq (T a a)                 -- From C3
118
119         After simplification:
120                    = Eq a u Ping b
121                    u (Eq b u Ping a)
122                    u (Eq a u Ping a)
123
124                    = Eq a u Ping b u Eq b u Ping a
125
126 The next iteration gives the same result, so this is the fixpoint.  We
127 need to make a canonical form of the RHS to ensure convergence.  We do
128 this by simplifying the RHS to a form in which
129
130         - the classes constrain only tyvars
131         - the list is sorted by tyvar (major key) and then class (minor key)
132         - no duplicates, of course
133
134 So, here are the synonyms for the ``equation'' structures:
135
136 \begin{code}
137 type DerivRhs  = ThetaType
138 type DerivSoln = DerivRhs
139 type DerivEqn  = (SrcSpan, InstOrigin, Name, [TyVar], Class, Type, DerivRhs)
140         -- (span, orig, df, tvs, C, ty, rhs)
141         --    implies a dfun declaration of the form
142         --       df :: forall tvs. rhs => C ty
143         -- The Name is the name for the DFun we'll build
144         -- The tyvars bind all the variables in the RHS
145         -- For family indexes, the tycon is the *family* tycon
146         --              (not the representation tycon)
147
148 pprDerivEqn :: DerivEqn -> SDoc
149 pprDerivEqn (l, _, n, tvs, c, ty, rhs)
150   = parens (hsep [ppr l, ppr n, ppr tvs, ppr c, ppr ty]
151             <+> equals <+> ppr rhs)
152 \end{code}
153
154
155 [Data decl contexts] A note about contexts on data decls
156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
157 Consider
158
159         data (RealFloat a) => Complex a = !a :+ !a deriving( Read )
160
161 We will need an instance decl like:
162
163         instance (Read a, RealFloat a) => Read (Complex a) where
164           ...
165
166 The RealFloat in the context is because the read method for Complex is bound
167 to construct a Complex, and doing that requires that the argument type is
168 in RealFloat. 
169
170 But this ain't true for Show, Eq, Ord, etc, since they don't construct
171 a Complex; they only take them apart.
172
173 Our approach: identify the offending classes, and add the data type
174 context to the instance decl.  The "offending classes" are
175
176         Read, Enum?
177
178 FURTHER NOTE ADDED March 2002.  In fact, Haskell98 now requires that
179 pattern matching against a constructor from a data type with a context
180 gives rise to the constraints for that context -- or at least the thinned
181 version.  So now all classes are "offending".
182
183 [Newtype deriving]
184 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
185 Consider this:
186     class C a b
187     instance C [a] Char
188     newtype T = T Char deriving( C [a] )
189
190 Notice the free 'a' in the deriving.  We have to fill this out to 
191     newtype T = T Char deriving( forall a. C [a] )
192
193 And then translate it to:
194     instance C [a] Char => C [a] T where ...
195     
196         
197
198
199 %************************************************************************
200 %*                                                                      *
201 \subsection[TcDeriv-driver]{Top-level function for \tr{derivings}}
202 %*                                                                      *
203 %************************************************************************
204
205 \begin{code}
206 tcDeriving  :: [LTyClDecl Name] -- All type constructors
207             -> [LDerivDecl Name] -- All stand-alone deriving declarations
208             -> TcM ([InstInfo],         -- The generated "instance decls"
209                     HsValBinds Name)    -- Extra generated top-level bindings
210
211 tcDeriving tycl_decls deriv_decls
212   = recoverM (returnM ([], emptyValBindsOut)) $
213     do  {       -- Fish the "deriving"-related information out of the TcEnv
214                 -- and make the necessary "equations".
215         ; (ordinary_eqns, newtype_inst_info) <- makeDerivEqns tycl_decls deriv_decls
216
217         ; (ordinary_inst_info, deriv_binds) 
218                 <- extendLocalInstEnv (map iSpec newtype_inst_info)  $
219                    deriveOrdinaryStuff ordinary_eqns
220                 -- Add the newtype-derived instances to the inst env
221                 -- before tacking the "ordinary" ones
222
223         ; let inst_info = newtype_inst_info ++ ordinary_inst_info
224
225         -- If we are compiling a hs-boot file, 
226         -- don't generate any derived bindings
227         ; is_boot <- tcIsHsBoot
228         ; if is_boot then
229                 return (inst_info, emptyValBindsOut)
230           else do
231         {
232
233         -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
234         ; gen_binds <- mkGenericBinds tycl_decls
235
236         -- Rename these extra bindings, discarding warnings about unused bindings etc
237         -- Set -fglasgow exts so that we can have type signatures in patterns,
238         -- which is used in the generic binds
239         ; rn_binds
240                 <- discardWarnings $ setOptM Opt_GlasgowExts $ do
241                         { (rn_deriv, _dus1) <- rnTopBinds (ValBindsIn deriv_binds [])
242                         ; (rn_gen, dus_gen) <- rnTopBinds (ValBindsIn gen_binds   [])
243                         ; keepAliveSetTc (duDefs dus_gen)       -- Mark these guys to
244                                                                 -- be kept alive
245                         ; return (rn_deriv `plusHsValBinds` rn_gen) }
246
247
248         ; dflags <- getDOpts
249         ; ioToTcRn (dumpIfSet_dyn dflags Opt_D_dump_deriv "Derived instances" 
250                    (ddump_deriving inst_info rn_binds))
251
252         ; returnM (inst_info, rn_binds)
253         }}
254   where
255     ddump_deriving :: [InstInfo] -> HsValBinds Name -> SDoc
256     ddump_deriving inst_infos extra_binds
257       = vcat (map pprInstInfoDetails inst_infos) $$ ppr extra_binds
258
259 -----------------------------------------
260 deriveOrdinaryStuff []  -- Short cut
261   = returnM ([], emptyLHsBinds)
262
263 deriveOrdinaryStuff eqns
264   = do  {       -- Take the equation list and solve it, to deliver a list of
265                 -- solutions, a.k.a. the contexts for the instance decls
266                 -- required for the corresponding equations.
267           overlap_flag <- getOverlapFlag
268         ; inst_specs <- solveDerivEqns overlap_flag eqns
269
270         -- Generate the InstInfo for each dfun, 
271         -- plus any auxiliary bindings it needs
272         ; (inst_infos, aux_binds_s) <- mapAndUnzipM genInst inst_specs
273
274         -- Generate any extra not-one-inst-decl-specific binds, 
275         -- notably "con2tag" and/or "tag2con" functions.  
276         ; extra_binds <- genTaggeryBinds inst_infos
277
278         -- Done
279         ; returnM (map fst inst_infos, 
280                    unionManyBags (extra_binds : aux_binds_s))
281    }
282
283 -----------------------------------------
284 mkGenericBinds tycl_decls
285   = do  { tcs <- mapM tcLookupTyCon 
286                         [ tc_name | 
287                           L _ (TyData { tcdLName = L _ tc_name }) <- tycl_decls]
288                 -- We are only interested in the data type declarations
289         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc | 
290                                   tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
291                 -- And then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
292 \end{code}
293
294
295 %************************************************************************
296 %*                                                                      *
297 \subsection[TcDeriv-eqns]{Forming the equations}
298 %*                                                                      *
299 %************************************************************************
300
301 @makeDerivEqns@ fishes around to find the info about needed derived
302 instances.  Complicating factors:
303 \begin{itemize}
304 \item
305 We can only derive @Enum@ if the data type is an enumeration
306 type (all nullary data constructors).
307
308 \item
309 We can only derive @Ix@ if the data type is an enumeration {\em
310 or} has just one data constructor (e.g., tuples).
311 \end{itemize}
312
313 [See Appendix~E in the Haskell~1.2 report.] This code here deals w/
314 all those.
315
316 Note [Newtype deriving superclasses]
317 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
318 The 'tys' here come from the partial application in the deriving
319 clause. The last arg is the new instance type.
320
321 We must pass the superclasses; the newtype might be an instance
322 of them in a different way than the representation type
323 E.g.            newtype Foo a = Foo a deriving( Show, Num, Eq )
324 Then the Show instance is not done via isomorphism; it shows
325         Foo 3 as "Foo 3"
326 The Num instance is derived via isomorphism, but the Show superclass
327 dictionary must the Show instance for Foo, *not* the Show dictionary
328 gotten from the Num dictionary. So we must build a whole new dictionary
329 not just use the Num one.  The instance we want is something like:
330      instance (Num a, Show (Foo a), Eq (Foo a)) => Num (Foo a) where
331         (+) = ((+)@a)
332         ...etc...
333 There may be a coercion needed which we get from the tycon for the newtype
334 when the dict is constructed in TcInstDcls.tcInstDecl2
335
336
337 \begin{code}
338 makeDerivEqns :: [LTyClDecl Name] 
339               -> [LDerivDecl Name] 
340               -> TcM ([DerivEqn],       -- Ordinary derivings
341                       [InstInfo])       -- Special newtype derivings
342
343 makeDerivEqns tycl_decls deriv_decls
344   = do  { eqns1 <- mapM deriveTyData $
345                    [ (p,d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- tycl_decls
346                            , p <- preds ]
347         ; eqns2 <- mapM deriveStandalone deriv_decls
348         ; return ([eqn  | (Just eqn, _)  <- eqns1 ++ eqns2],
349                   [inst | (_, Just inst) <- eqns1 ++ eqns2]) }
350
351 ------------------------------------------------------------------
352 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM (Maybe DerivEqn, Maybe InstInfo)
353 -- Standalone deriving declarations
354 --      e.g.   derive instance Show T
355 -- Rather like tcLocalInstDecl
356 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
357   = setSrcSpan loc                   $
358     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
359     do  { (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
360         ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstHead tau
361         ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
362               inst_ty = last inst_tys
363
364         ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty }
365
366 ------------------------------------------------------------------
367 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM (Maybe DerivEqn, Maybe InstInfo)
368 deriveTyData (deriv_pred, L loc decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
369                                                tcdTyVars = tv_names, 
370                                                tcdTyPats = ty_pats }))
371   = setSrcSpan loc                   $
372     tcAddDeclCtxt decl               $
373     do  { let hs_ty_args = ty_pats `orElse` map (nlHsTyVar . hsLTyVarName) tv_names
374               hs_app     = nlHsTyConApp tycon_name hs_ty_args
375                 -- We get kinding info for the tyvars by typechecking (T a b)
376                 -- Hence forming a tycon application and then dis-assembling it
377         ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
378         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
379                                         -- the type variables for the type constructor
380     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
381                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
382                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
383         ; mkEqnHelp DerivOrigin (tvs++deriv_tvs) cls cls_tys tc_app } }
384
385 ------------------------------------------------------------------
386 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app
387   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
388   = do  {       -- Make tc_app saturated, because that's what the
389                 -- mkDataTypeEqn things expect
390                 -- It might not be saturated in the standalone deriving case
391                 --      derive instance Monad (T a)
392           let extra_tvs = dropList tc_args (tyConTyVars tycon)
393               full_tc_args = tc_args ++ mkTyVarTys extra_tvs
394               full_tvs = tvs ++ extra_tvs
395                 
396         ; (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupFamInst tycon full_tc_args
397
398         ; gla_exts <- doptM Opt_GlasgowExts
399         ; overlap_flag <- getOverlapFlag
400         ; if isDataTyCon tycon then
401                 mkDataTypeEqn orig gla_exts full_tvs cls cls_tys 
402                               tycon full_tc_args rep_tc rep_tc_args
403           else
404                 mkNewTypeEqn  orig gla_exts overlap_flag full_tvs cls cls_tys 
405                               tycon full_tc_args rep_tc rep_tc_args }
406   | otherwise
407   = baleOut (derivingThingErr cls cls_tys tc_app
408                 (ptext SLIT("Last argument of the instance must be a type application")))
409
410 baleOut err = addErrTc err >> returnM (Nothing, Nothing) 
411 \end{code}
412
413
414 %************************************************************************
415 %*                                                                      *
416                 Deriving data types
417 %*                                                                      *
418 %************************************************************************
419
420 \begin{code}
421 mkDataTypeEqn orig gla_exts tvs cls cls_tys tycon tc_args rep_tc rep_tc_args
422   | Just err <- checkSideConditions gla_exts cls cls_tys rep_tc
423         -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
424   = baleOut (derivingThingErr cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) err)
425
426   | otherwise 
427   = ASSERT( null cls_tys )
428     do  { loc <- getSrcSpanM
429         ; eqn <- mk_data_eqn loc orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args
430         ; return (Just eqn, Nothing) }
431
432 mk_data_eqn :: SrcSpan -> InstOrigin -> [TyVar] -> Class 
433             -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> TcM DerivEqn
434 mk_data_eqn loc orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args
435   | cls `hasKey` typeableClassKey
436   =     -- The Typeable class is special in several ways
437         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
438         -- gives
439         --        instance Typeable2 T where ...
440         -- Notice that:
441         -- 1. There are no constraints in the instance
442         -- 2. There are no type variables either
443         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
444         --      Typeable; it depends on the arity of the type
445     do  { real_clas <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
446         ; dfun_name <- new_dfun_name real_clas tycon
447         ; return (loc, orig, dfun_name, [], real_clas, mkTyConApp tycon [], []) }
448
449   | otherwise
450   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
451         ; let ordinary_constraints
452                 = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
453                   | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
454                     arg_ty   <- dataConInstOrigArgTys data_con rep_tc_args,
455                     not (isUnLiftedType arg_ty) ] -- No constraints for unlifted types?
456
457               tiresome_subst = zipTopTvSubst (tyConTyVars rep_tc) rep_tc_args
458               stupid_constraints = substTheta tiresome_subst (tyConStupidTheta rep_tc)
459                  -- see note [Data decl contexts] above
460
461         ; return (loc, orig, dfun_name, tvs, cls, mkTyConApp tycon tc_args, 
462                   stupid_constraints ++ ordinary_constraints)
463         }
464
465 ------------------------------------------------------------------
466 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
467 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
468 --
469 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
470 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
471 -- family tycon (with indexes) in error messages.
472
473 checkSideConditions :: Bool -> Class -> [TcType] -> TyCon -> Maybe SDoc
474 checkSideConditions gla_exts cls cls_tys rep_tc
475   | notNull cls_tys     
476   = Just ty_args_why    -- e.g. deriving( Foo s )
477   | otherwise
478   = case [cond | (key,cond) <- sideConditions, key == getUnique cls] of
479         []     -> Just (non_std_why cls)
480         [cond] -> cond (gla_exts, rep_tc)
481         other  -> pprPanic "checkSideConditions" (ppr cls)
482   where
483     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext SLIT("is not a class")
484
485 non_std_why cls = quotes (ppr cls) <+> ptext SLIT("is not a derivable class")
486
487 sideConditions :: [(Unique, Condition)]
488 sideConditions
489   = [   (eqClassKey,       cond_std),
490         (ordClassKey,      cond_std),
491         (readClassKey,     cond_std),
492         (showClassKey,     cond_std),
493         (enumClassKey,     cond_std `andCond` cond_isEnumeration),
494         (ixClassKey,       cond_std `andCond` (cond_isEnumeration `orCond` cond_isProduct)),
495         (boundedClassKey,  cond_std `andCond` (cond_isEnumeration `orCond` cond_isProduct)),
496         (typeableClassKey, cond_glaExts `andCond` cond_typeableOK),
497         (dataClassKey,     cond_glaExts `andCond` cond_std)
498     ]
499
500 type Condition = (Bool, TyCon) -> Maybe SDoc
501         -- Bool is gla-exts flag
502         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
503         --      data type is an indexed one
504         -- Nothing => OK
505
506 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
507 orCond c1 c2 tc 
508   = case c1 tc of
509         Nothing -> Nothing              -- c1 succeeds
510         Just x  -> case c2 tc of        -- c1 fails
511                      Nothing -> Nothing
512                      Just y  -> Just (x $$ ptext SLIT("  and") $$ y)
513                                         -- Both fail
514
515 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
516                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
517                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
518
519 cond_std :: Condition
520 cond_std (gla_exts, rep_tc)
521   | any (not . isVanillaDataCon) data_cons = Just existential_why     
522   | null data_cons                         = Just no_cons_why
523   | otherwise                              = Nothing
524   where
525     data_cons       = tyConDataCons rep_tc
526     no_cons_why     = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
527                       ptext SLIT("has no data constructors")
528     existential_why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
529                       ptext SLIT("has non-Haskell-98 constructor(s)")
530   
531 cond_isEnumeration :: Condition
532 cond_isEnumeration (gla_exts, rep_tc)
533   | isEnumerationTyCon rep_tc = Nothing
534   | otherwise                 = Just why
535   where
536     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
537           ptext SLIT("has non-nullary constructors")
538
539 cond_isProduct :: Condition
540 cond_isProduct (gla_exts, rep_tc)
541   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
542   | otherwise             = Just why
543   where
544     why = (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
545           ptext SLIT("has more than one constructor")
546
547 cond_typeableOK :: Condition
548 -- OK for Typeable class
549 -- Currently: (a) args all of kind *
550 --            (b) 7 or fewer args
551 cond_typeableOK (gla_exts, rep_tc)
552   | tyConArity rep_tc > 7       = Just too_many
553   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars rep_tc)) 
554                                 = Just bad_kind
555   | isFamInstTyCon rep_tc       = Just fam_inst  -- no Typable for family insts
556   | otherwise                   = Nothing
557   where
558     too_many = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
559                ptext SLIT("has too many arguments")
560     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
561                ptext SLIT("has arguments of kind other than `*'")
562     fam_inst = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
563                ptext SLIT("is a type family")
564
565 cond_glaExts :: Condition
566 cond_glaExts (gla_exts, _rep_tc) | gla_exts  = Nothing
567                                  | otherwise = Just why
568   where
569     why  = ptext SLIT("You need -fglasgow-exts to derive an instance for this class")
570
571 std_class gla_exts clas 
572   =  key `elem` derivableClassKeys
573   || (gla_exts && (key == typeableClassKey || key == dataClassKey))
574   where
575      key = classKey clas
576     
577 std_class_via_iso clas  -- These standard classes can be derived for a newtype
578                         -- using the isomorphism trick *even if no -fglasgow-exts*
579   = classKey clas `elem`  [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
580         -- Not Read/Show because they respect the type
581         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
582
583
584 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
585   = newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] (getSrcLoc tycon)
586         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
587         -- a suitable string; hence the empty type arg list
588 \end{code}
589
590
591 %************************************************************************
592 %*                                                                      *
593                 Deriving newtypes
594 %*                                                                      *
595 %************************************************************************
596
597 \begin{code}
598 mkNewTypeEqn orig gla_exts overlap_flag tvs cls cls_tys
599              tycon tc_args 
600              rep_tycon rep_tc_args
601   | can_derive_via_isomorphism && (gla_exts || std_class_via_iso cls)
602   =     do { traceTc (text "newtype deriving:" <+> ppr tycon <+> ppr rep_tys)
603            ;    -- Go ahead and use the isomorphism
604              dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
605            ; return (Nothing, Just (InstInfo { iSpec  = mk_inst_spec dfun_name,
606                                                iBinds = NewTypeDerived ntd_info })) }
607   | std_class gla_exts cls
608   = mkDataTypeEqn orig gla_exts tvs cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args     -- Go via bale-out route
609
610         -- Otherwise its a non-standard instance
611   | gla_exts  = baleOut cant_derive_err -- Too hard
612   | otherwise = baleOut non_std_err     -- Just complain about being a non-std instance
613   where
614         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
615         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
616         -- where t is a type,
617         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
618         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
619         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
620         --                      with the last parameter missing
621         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
622         --              (and hence so does t)
623         --
624         -- We generate the instance
625         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
626         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
627         -- where T a1...ap is the partial application of 
628         --       the LHS of the correct kind and p >= k
629         --
630         --      NB: the variables below are:
631         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
632         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
633         --              rep_ty = t ak .. an
634         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
635         --              tys = [s1, ..., sm]
636         --              rep_fn' = t
637         --
638         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
639         -- We generate the instance
640         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
641
642         cls_tyvars = classTyVars cls
643         kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
644                 -- Kind of the thing we want to instance
645                 --   e.g. argument kind of Monad, *->*
646
647         (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
648         n_args_to_drop = length arg_kinds       
649                 -- Want to drop 1 arg from (T s a) and (ST s a)
650                 -- to get       instance Monad (ST s) => Monad (T s)
651
652         -- Note [newtype representation]
653         -- Need newTyConRhs *not* newTyConRep to get the representation 
654         -- type, because the latter looks through all intermediate newtypes
655         -- For example
656         --      newtype B = MkB Int
657         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
658         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
659         -- when making the Num instance of A!
660         rep_ty                = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
661         (rep_fn, rep_ty_args) = tcSplitAppTys rep_ty
662
663         n_tyargs_to_keep = tyConArity tycon - n_args_to_drop
664         dropped_tc_args = drop n_tyargs_to_keep tc_args
665         dropped_tvs     = tyVarsOfTypes dropped_tc_args
666
667         n_args_to_keep = length rep_ty_args - n_args_to_drop
668         args_to_drop   = drop n_args_to_keep rep_ty_args
669         args_to_keep   = take n_args_to_keep rep_ty_args
670
671         rep_fn'  = mkAppTys rep_fn args_to_keep
672         rep_tys  = cls_tys ++ [rep_fn']
673         rep_pred = mkClassPred cls rep_tys
674                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
675                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
676                 -- dictionary 
677
678         tc_app = mkTyConApp tycon (take n_tyargs_to_keep tc_args)
679
680     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
681     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
682
683         inst_tys = cls_tys ++ [tc_app]
684         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
685                               (classSCTheta cls)
686
687                 -- If there are no tyvars, there's no need
688                 -- to abstract over the dictionaries we need
689                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
690                 -- We get the derived instance
691                 --              instance C T
692                 -- rather than
693                 --              instance C Int => C T
694         dict_tvs = filterOut (`elemVarSet` dropped_tvs) tvs
695         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
696         (dict_args, ntd_info) | null dict_tvs = ([], Just all_preds)
697                               | otherwise     = (all_preds, Nothing)
698
699                 -- Finally! Here's where we build the dictionary Id
700         mk_inst_spec dfun_name = mkLocalInstance dfun overlap_flag
701           where
702             dfun = mkDictFunId dfun_name dict_tvs dict_args cls inst_tys
703
704         -------------------------------------------------------------------
705         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
706
707         right_arity = length cls_tys + 1 == classArity cls
708
709                 -- Never derive Read,Show,Typeable,Data this way 
710         non_iso_classes = [readClassKey, showClassKey, typeableClassKey, dataClassKey]
711         can_derive_via_isomorphism
712            =  not (getUnique cls `elem` non_iso_classes)
713            && right_arity                       -- Well kinded;
714                                                 -- eg not: newtype T ... deriving( ST )
715                                                 --      because ST needs *2* type params
716            && n_tyargs_to_keep >= 0             -- Type constructor has right kind:
717                                                 -- eg not: newtype T = T Int deriving( Monad )
718            && n_args_to_keep   >= 0             -- Rep type has right kind: 
719                                                 -- eg not: newtype T a = T Int deriving( Monad )
720            && eta_ok                            -- Eta reduction works
721            && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Does not work for recursive tycons:
722                                                 --      newtype A = MkA [A]
723                                                 -- Don't want
724                                                 --      instance Eq [A] => Eq A !!
725                         -- Here's a recursive newtype that's actually OK
726                         --      newtype S1 = S1 [T1 ()]
727                         --      newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
728                         -- It's currently rejected.  Oh well.
729                         -- In fact we generate an instance decl that has method of form
730                         --      meth @ instTy = meth @ repTy
731                         -- (no coerce's).  We'd need a coerce if we wanted to handle
732                         -- recursive newtypes too
733
734         -- Check that eta reduction is OK
735         eta_ok = (args_to_drop `tcEqTypes` dropped_tc_args)
736                 -- (a) the dropped-off args are identical in the source and rep type
737                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
738                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
739
740               && (tyVarsOfType rep_fn' `disjointVarSet` dropped_tvs)
741                 -- (b) the remaining type args do not mention any of the dropped
742                 --     type variables 
743
744               && (tyVarsOfTypes cls_tys `disjointVarSet` dropped_tvs)
745                 -- (c) the type class args do not mention any of the dropped type
746                 --     variables 
747
748               && all isTyVarTy dropped_tc_args
749                 -- (d) in case of newtype family instances, the eta-dropped
750                 --      arguments must be type variables (not more complex indexes)
751
752         cant_derive_err = derivingThingErr cls cls_tys tc_app
753                                 (vcat [ptext SLIT("even with cunning newtype deriving:"),
754                                         if isRecursiveTyCon tycon then
755                                           ptext SLIT("the newtype is recursive")
756                                         else empty,
757                                         if not right_arity then 
758                                           quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext SLIT("does not have arity 1")
759                                         else empty,
760                                         if not (n_tyargs_to_keep >= 0) then 
761                                           ptext SLIT("the type constructor has wrong kind")
762                                         else if not (n_args_to_keep >= 0) then
763                                           ptext SLIT("the representation type has wrong kind")
764                                         else if not eta_ok then 
765                                           ptext SLIT("the eta-reduction property does not hold")
766                                         else empty
767                                       ])
768
769         non_std_err = derivingThingErr cls cls_tys tc_app
770                                 (vcat [non_std_why cls,
771                                        ptext SLIT("Try -fglasgow-exts for GHC's newtype-deriving extension")])
772 \end{code}
773
774
775 %************************************************************************
776 %*                                                                      *
777 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
778 %*                                                                      *
779 %************************************************************************
780
781 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
782 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
783 equation.
784 \begin{itemize}
785 \item
786 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
787 variable, tv.
788
789 \item
790 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
791 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
792 (minor key)
793 \end{itemize}
794
795 \begin{code}
796 solveDerivEqns :: OverlapFlag
797                -> [DerivEqn]
798                -> TcM [Instance]-- Solns in same order as eqns.
799                                 -- This bunch is Absolutely minimal...
800
801 solveDerivEqns overlap_flag orig_eqns
802   = do  { traceTc (text "solveDerivEqns" <+> vcat (map pprDerivEqn orig_eqns))
803         ; iterateDeriv 1 initial_solutions }
804   where
805         -- The initial solutions for the equations claim that each
806         -- instance has an empty context; this solution is certainly
807         -- in canonical form.
808     initial_solutions :: [DerivSoln]
809     initial_solutions = [ [] | _ <- orig_eqns ]
810
811     ------------------------------------------------------------------
812         -- iterateDeriv calculates the next batch of solutions,
813         -- compares it with the current one; finishes if they are the
814         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
815         -- It fails if any iteration fails
816     iterateDeriv :: Int -> [DerivSoln] -> TcM [Instance]
817     iterateDeriv n current_solns
818       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
819                 -- This can happen if we have -fallow-undecidable-instances
820                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
821       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
822                  (vcat (map pprDerivEqn orig_eqns) $$ ppr current_solns)
823       | otherwise
824       = let 
825             inst_specs = zipWithEqual "add_solns" mk_inst_spec 
826                                       orig_eqns current_solns
827         in
828         checkNoErrs (
829                   -- Extend the inst info from the explicit instance decls
830                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
831             extendLocalInstEnv inst_specs $
832             mappM gen_soln orig_eqns
833         )                               `thenM` \ new_solns ->
834         if (current_solns == new_solns) then
835             returnM inst_specs
836         else
837             iterateDeriv (n+1) new_solns
838
839     ------------------------------------------------------------------
840     gen_soln :: DerivEqn -> TcM [PredType]
841     gen_soln (loc, orig, _, tyvars, clas, inst_ty, deriv_rhs)
842       = setSrcSpan loc  $
843         do { theta <- tcSimplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
844            ; addErrCtxt (derivInstCtxt theta clas [inst_ty]) $ 
845         do { checkNoErrs (checkValidInstance tyvars theta clas [inst_ty])
846                 -- See Note [Deriving context]
847                 -- If this fails, don't continue
848
849                   -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
850                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
851                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
852                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
853                   -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
854            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
855                  weird_preds = [pred | pred <- theta, not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
856            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
857
858                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
859                 -- Hence no need to call:
860                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
861            ; return (sortLe (<=) theta) } }     -- Canonicalise before returning the solution
862
863     ------------------------------------------------------------------
864     mk_inst_spec :: DerivEqn -> DerivSoln -> Instance
865     mk_inst_spec (loc, orig, dfun_name, tyvars, clas, inst_ty, _) theta
866         = mkLocalInstance dfun overlap_flag
867         where
868           dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas [inst_ty]
869
870 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
871 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
872 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
873 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
874  = do { env <- getGblEnv
875       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
876              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
877       ; setGblEnv env' thing_inside }
878 \end{code}
879
880 %************************************************************************
881 %*                                                                      *
882 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
883 %*                                                                      *
884 %************************************************************************
885
886 After all the trouble to figure out the required context for the
887 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
888 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
889 will do all its usual business.
890
891 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
892 various general remarks.
893
894 PRINCIPLES:
895 \begin{itemize}
896 \item
897 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
898 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
899
900 \item
901 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
902
903 \item
904 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
905 \end{itemize}
906
907 PRAGMATICS:
908
909 \begin{itemize}
910 \item
911 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
912
913 \item
914 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
915
916 \item
917 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
918 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
919
920 \item
921 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
922 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
923 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
924 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
925
926 The examples under the different sections below will make this
927 clearer.
928
929 \item
930 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
931 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
932
933 \item
934 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
935 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
936 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
937 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
938 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
939 the renamer.  What a great hack!
940 \end{itemize}
941
942 \begin{code}
943 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
944 --   *representation* tycon for that instance,
945 -- plus any auxiliary bindings required
946 --
947 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
948 -- case of instances for indexed families.
949 --
950 genInst :: Instance -> TcM ((InstInfo, TyCon), LHsBinds RdrName)
951 genInst spec
952   = do  { fix_env <- getFixityEnv
953         ; let
954             (tyvars,_,clas,[ty])    = instanceHead spec
955             clas_nm                 = className clas
956             (visible_tycon, tyArgs) = tcSplitTyConApp ty 
957
958           -- In case of a family instance, we need to use the representation
959           -- tycon (after all, it has the data constructors)
960         ; (tycon, _) <- tcLookupFamInst visible_tycon tyArgs
961         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds clas fix_env tycon
962
963         -- Bring the right type variables into 
964         -- scope, and rename the method binds
965         -- It's a bit yukky that we return *renamed* InstInfo, but
966         -- *non-renamed* auxiliary bindings
967         ; (rn_meth_binds, _fvs) <- discardWarnings $ 
968                                    bindLocalNames (map Var.varName tyvars) $
969                                    rnMethodBinds clas_nm (\n -> []) [] meth_binds
970
971         -- Build the InstInfo
972         ; return ((InstInfo { iSpec = spec, 
973                               iBinds = VanillaInst rn_meth_binds [] }, tycon),
974                   aux_binds)
975         }
976
977 genDerivBinds clas fix_env tycon
978   | className clas `elem` typeableClassNames
979   = (gen_Typeable_binds tycon, emptyLHsBinds)
980
981   | otherwise
982   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
983         Just gen_fn -> gen_fn fix_env tycon
984         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
985   where
986     gen_list :: [(Unique, FixityEnv -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, LHsBinds RdrName))]
987     gen_list = [(eqClassKey,      no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Eq_binds))
988                ,(ordClassKey,     no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Ord_binds))
989                ,(enumClassKey,    no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Enum_binds))
990                ,(boundedClassKey, no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Bounded_binds))
991                ,(ixClassKey,      no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Ix_binds))
992                ,(typeableClassKey,no_aux_binds (ignore_fix_env gen_Typeable_binds))
993                ,(showClassKey,    no_aux_binds gen_Show_binds)
994                ,(readClassKey,    no_aux_binds gen_Read_binds)
995                ,(dataClassKey,    gen_Data_binds)
996                ]
997
998       -- no_aux_binds is used for generators that don't 
999       -- need to produce any auxiliary bindings
1000     no_aux_binds f fix_env tc = (f fix_env tc, emptyLHsBinds)
1001     ignore_fix_env f fix_env tc = f tc
1002 \end{code}
1003
1004
1005 %************************************************************************
1006 %*                                                                      *
1007 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1008 %*                                                                      *
1009 %************************************************************************
1010
1011
1012 data Foo ... = ...
1013
1014 con2tag_Foo :: Foo ... -> Int#
1015 tag2con_Foo :: Int -> Foo ...   -- easier if Int, not Int#
1016 maxtag_Foo  :: Int              -- ditto (NB: not unlifted)
1017
1018
1019 We have a @con2tag@ function for a tycon if:
1020 \begin{itemize}
1021 \item
1022 We're deriving @Eq@ and the tycon has nullary data constructors.
1023
1024 \item
1025 Or: we're deriving @Ord@ (unless single-constructor), @Enum@, @Ix@
1026 (enum type only????)
1027 \end{itemize}
1028
1029 We have a @tag2con@ function for a tycon if:
1030 \begin{itemize}
1031 \item
1032 We're deriving @Enum@, or @Ix@ (enum type only???)
1033 \end{itemize}
1034
1035 If we have a @tag2con@ function, we also generate a @maxtag@ constant.
1036
1037 \begin{code}
1038 genTaggeryBinds :: [(InstInfo, TyCon)] -> TcM (LHsBinds RdrName)
1039 genTaggeryBinds infos
1040   = do  { names_so_far <- foldlM do_con2tag []           tycons_of_interest
1041         ; nm_alist_etc <- foldlM do_tag2con names_so_far tycons_of_interest
1042         ; return (listToBag (map gen_tag_n_con_monobind nm_alist_etc)) }
1043   where
1044     all_CTs                 = [ (fst (simpleInstInfoClsTy info), tc) 
1045                               | (info, tc) <- infos]
1046     all_tycons              = map snd all_CTs
1047     (tycons_of_interest, _) = removeDups compare all_tycons
1048     
1049     do_con2tag acc_Names tycon
1050       | isDataTyCon tycon &&
1051         ((we_are_deriving eqClassKey tycon
1052             && any isNullarySrcDataCon (tyConDataCons tycon))
1053          || (we_are_deriving ordClassKey  tycon
1054             && not (isProductTyCon tycon))
1055          || (we_are_deriving enumClassKey tycon)
1056          || (we_are_deriving ixClassKey   tycon))
1057         
1058       = returnM ((con2tag_RDR tycon, tycon, GenCon2Tag)
1059                    : acc_Names)
1060       | otherwise
1061       = returnM acc_Names
1062
1063     do_tag2con acc_Names tycon
1064       | isDataTyCon tycon &&
1065          (we_are_deriving enumClassKey tycon ||
1066           we_are_deriving ixClassKey   tycon
1067           && isEnumerationTyCon tycon)
1068       = returnM ( (tag2con_RDR tycon, tycon, GenTag2Con)
1069                  : (maxtag_RDR  tycon, tycon, GenMaxTag)
1070                  : acc_Names)
1071       | otherwise
1072       = returnM acc_Names
1073
1074     we_are_deriving clas_key tycon
1075       = is_in_eqns clas_key tycon all_CTs
1076       where
1077         is_in_eqns clas_key tycon [] = False
1078         is_in_eqns clas_key tycon ((c,t):cts)
1079           =  (clas_key == classKey c && tycon == t)
1080           || is_in_eqns clas_key tycon cts
1081 \end{code}
1082
1083 \begin{code}
1084 derivingThingErr clas tys ty why
1085   = sep [hsep [ptext SLIT("Can't make a derived instance of"), 
1086                quotes (ppr pred)],
1087          nest 2 (parens why)]
1088   where
1089     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1090
1091 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1092 standaloneCtxt ty = ptext SLIT("In the stand-alone deriving instance for") <+> quotes (ppr ty)
1093
1094 derivInstCtxt theta clas inst_tys
1095   = hang (ptext SLIT("In the derived instance:"))
1096          2 (pprThetaArrow theta <+> pprClassPred clas inst_tys)
1097 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
1098
1099 badDerivedPred pred
1100   = vcat [ptext SLIT("Can't derive instances where the instance context mentions"),
1101           ptext SLIT("type variables that are not data type parameters"),
1102           nest 2 (ptext SLIT("Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1103 \end{code}
1104