Add the ability to derive instances of Functor, Foldable, Traversable
[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 Coercion
34 import ErrUtils
35 import MkId
36 import DataCon
37 import Maybes
38 import RdrName
39 import Name
40 import NameSet
41 import TyCon
42 import TcType
43 import Var
44 import VarSet
45 import PrelNames
46 import SrcLoc
47 import Util
48 import ListSetOps
49 import Outputable
50 import FastString
51 import Bag
52
53 import Control.Monad
54 \end{code}
55
56 %************************************************************************
57 %*                                                                      *
58                 Overview
59 %*                                                                      *
60 %************************************************************************
61
62 Overall plan
63 ~~~~~~~~~~~~
64 1.  Convert the decls (i.e. data/newtype deriving clauses, 
65     plus standalone deriving) to [EarlyDerivSpec]
66
67 2.  Infer the missing contexts for the Left DerivSpecs
68
69 3.  Add the derived bindings, generating InstInfos
70
71 \begin{code}
72 -- DerivSpec is purely  local to this module
73 data DerivSpec  = DS { ds_loc     :: SrcSpan 
74                      , ds_orig    :: InstOrigin 
75                      , ds_name    :: Name
76                      , ds_tvs     :: [TyVar] 
77                      , ds_theta   :: ThetaType
78                      , ds_cls     :: Class
79                      , ds_tys     :: [Type]
80                      , ds_tc      :: TyCon
81                      , ds_tc_args :: [Type]
82                      , ds_newtype :: Bool }
83         -- This spec implies a dfun declaration of the form
84         --       df :: forall tvs. theta => C tys
85         -- The Name is the name for the DFun we'll build
86         -- The tyvars bind all the variables in the theta
87         -- For family indexes, the tycon in 
88         --       in ds_tys is the *family* tycon
89         --       in ds_tc, ds_tc_args is the *representation* tycon
90         -- For non-family tycons, both are the same
91
92         -- ds_newtype = True  <=> Newtype deriving
93         --              False <=> Vanilla deriving
94
95 type EarlyDerivSpec = Either DerivSpec DerivSpec
96         -- Left  ds => the context for the instance should be inferred
97         --             In this case ds_theta is the list of all the 
98         --                constraints needed, such as (Eq [a], Eq a)
99         --                The inference process is to reduce this to a 
100         --                simpler form (e.g. Eq a)
101         -- 
102         -- Right ds => the exact context for the instance is supplied 
103         --             by the programmer; it is ds_theta
104
105 pprDerivSpec :: DerivSpec -> SDoc
106 pprDerivSpec (DS { ds_loc = l, ds_name = n, ds_tvs = tvs, 
107                    ds_cls = c, ds_tys = tys, ds_theta = rhs })
108   = parens (hsep [ppr l, ppr n, ppr tvs, ppr c, ppr tys]
109             <+> equals <+> ppr rhs)
110 \end{code}
111
112
113 Inferring missing contexts 
114 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
115 Consider
116
117         data T a b = C1 (Foo a) (Bar b)
118                    | C2 Int (T b a)
119                    | C3 (T a a)
120                    deriving (Eq)
121
122 [NOTE: See end of these comments for what to do with 
123         data (C a, D b) => T a b = ...
124 ]
125
126 We want to come up with an instance declaration of the form
127
128         instance (Ping a, Pong b, ...) => Eq (T a b) where
129                 x == y = ...
130
131 It is pretty easy, albeit tedious, to fill in the code "...".  The
132 trick is to figure out what the context for the instance decl is,
133 namely @Ping@, @Pong@ and friends.
134
135 Let's call the context reqd for the T instance of class C at types
136 (a,b, ...)  C (T a b).  Thus:
137
138         Eq (T a b) = (Ping a, Pong b, ...)
139
140 Now we can get a (recursive) equation from the @data@ decl:
141
142         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
143                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
144                    u Eq (T a a)                 -- From C3
145
146 Foo and Bar may have explicit instances for @Eq@, in which case we can
147 just substitute for them.  Alternatively, either or both may have
148 their @Eq@ instances given by @deriving@ clauses, in which case they
149 form part of the system of equations.
150
151 Now all we need do is simplify and solve the equations, iterating to
152 find the least fixpoint.  Notice that the order of the arguments can
153 switch around, as here in the recursive calls to T.
154
155 Let's suppose Eq (Foo a) = Eq a, and Eq (Bar b) = Ping b.
156
157 We start with:
158
159         Eq (T a b) = {}         -- The empty set
160
161 Next iteration:
162         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
163                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
164                    u Eq (T a a)                 -- From C3
165
166         After simplification:
167                    = Eq a u Ping b u {} u {} u {}
168                    = Eq a u Ping b
169
170 Next iteration:
171
172         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
173                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
174                    u Eq (T a a)                 -- From C3
175
176         After simplification:
177                    = Eq a u Ping b
178                    u (Eq b u Ping a)
179                    u (Eq a u Ping a)
180
181                    = Eq a u Ping b u Eq b u Ping a
182
183 The next iteration gives the same result, so this is the fixpoint.  We
184 need to make a canonical form of the RHS to ensure convergence.  We do
185 this by simplifying the RHS to a form in which
186
187         - the classes constrain only tyvars
188         - the list is sorted by tyvar (major key) and then class (minor key)
189         - no duplicates, of course
190
191 So, here are the synonyms for the ``equation'' structures:
192
193
194 Note [Data decl contexts]
195 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
196 Consider
197
198         data (RealFloat a) => Complex a = !a :+ !a deriving( Read )
199
200 We will need an instance decl like:
201
202         instance (Read a, RealFloat a) => Read (Complex a) where
203           ...
204
205 The RealFloat in the context is because the read method for Complex is bound
206 to construct a Complex, and doing that requires that the argument type is
207 in RealFloat. 
208
209 But this ain't true for Show, Eq, Ord, etc, since they don't construct
210 a Complex; they only take them apart.
211
212 Our approach: identify the offending classes, and add the data type
213 context to the instance decl.  The "offending classes" are
214
215         Read, Enum?
216
217 FURTHER NOTE ADDED March 2002.  In fact, Haskell98 now requires that
218 pattern matching against a constructor from a data type with a context
219 gives rise to the constraints for that context -- or at least the thinned
220 version.  So now all classes are "offending".
221
222 Note [Newtype deriving]
223 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
224 Consider this:
225     class C a b
226     instance C [a] Char
227     newtype T = T Char deriving( C [a] )
228
229 Notice the free 'a' in the deriving.  We have to fill this out to 
230     newtype T = T Char deriving( forall a. C [a] )
231
232 And then translate it to:
233     instance C [a] Char => C [a] T where ...
234     
235         
236 Note [Newtype deriving superclasses]
237 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
238 (See also Trac #1220 for an interesting exchange on newtype
239 deriving and superclasses.)
240
241 The 'tys' here come from the partial application in the deriving
242 clause. The last arg is the new instance type.
243
244 We must pass the superclasses; the newtype might be an instance
245 of them in a different way than the representation type
246 E.g.            newtype Foo a = Foo a deriving( Show, Num, Eq )
247 Then the Show instance is not done via isomorphism; it shows
248         Foo 3 as "Foo 3"
249 The Num instance is derived via isomorphism, but the Show superclass
250 dictionary must the Show instance for Foo, *not* the Show dictionary
251 gotten from the Num dictionary. So we must build a whole new dictionary
252 not just use the Num one.  The instance we want is something like:
253      instance (Num a, Show (Foo a), Eq (Foo a)) => Num (Foo a) where
254         (+) = ((+)@a)
255         ...etc...
256 There may be a coercion needed which we get from the tycon for the newtype
257 when the dict is constructed in TcInstDcls.tcInstDecl2
258
259
260
261
262 %************************************************************************
263 %*                                                                      *
264 \subsection[TcDeriv-driver]{Top-level function for \tr{derivings}}
265 %*                                                                      *
266 %************************************************************************
267
268 \begin{code}
269 tcDeriving  :: [LTyClDecl Name]  -- All type constructors
270             -> [LInstDecl Name]  -- All instance declarations
271             -> [LDerivDecl Name] -- All stand-alone deriving declarations
272             -> TcM ([InstInfo Name],    -- The generated "instance decls"
273                     HsValBinds Name)    -- Extra generated top-level bindings
274
275 tcDeriving tycl_decls inst_decls deriv_decls
276   = recoverM (return ([], emptyValBindsOut)) $
277     do  {       -- Fish the "deriving"-related information out of the TcEnv
278                 -- And make the necessary "equations".
279           is_boot <- tcIsHsBoot
280         ; traceTc (text "tcDeriving" <+> ppr is_boot)
281         ; early_specs <- makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
282
283         ; overlap_flag <- getOverlapFlag
284         ; let (infer_specs, given_specs) = splitEithers early_specs
285         ; insts1 <- mapM (genInst overlap_flag) given_specs
286
287         ; final_specs <- extendLocalInstEnv (map (iSpec . fst) insts1) $
288                          inferInstanceContexts overlap_flag infer_specs
289
290         ; insts2 <- mapM (genInst overlap_flag) final_specs
291
292                  -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
293         ; gen_binds <- mkGenericBinds is_boot
294         ; (inst_info, rn_binds) <- renameDeriv is_boot gen_binds (insts1 ++ insts2)
295
296         ; dflags <- getDOpts
297         ; liftIO (dumpIfSet_dyn dflags Opt_D_dump_deriv "Derived instances"
298                  (ddump_deriving inst_info rn_binds))
299
300         ; return (inst_info, rn_binds) }
301   where
302     ddump_deriving :: [InstInfo Name] -> HsValBinds Name -> SDoc
303     ddump_deriving inst_infos extra_binds
304       = vcat (map pprInstInfoDetails inst_infos) $$ ppr extra_binds
305
306 renameDeriv :: Bool -> LHsBinds RdrName
307             -> [(InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)]
308             -> TcM ([InstInfo Name], HsValBinds Name)
309 renameDeriv is_boot gen_binds insts
310   | is_boot     -- If we are compiling a hs-boot file, don't generate any derived bindings
311                 -- The inst-info bindings will all be empty, but it's easier to
312                 -- just use rn_inst_info to change the type appropriately
313   = do  { rn_inst_infos <- mapM rn_inst_info inst_infos 
314         ; return (rn_inst_infos, emptyValBindsOut) }
315
316   | otherwise
317   = discardWarnings $    -- Discard warnings about unused bindings etc
318     do  { (rn_gen, dus_gen) <- setOptM Opt_ScopedTypeVariables $  -- Type signatures in patterns 
319                                                                   -- are used in the generic binds
320                                rnTopBinds (ValBindsIn gen_binds [])
321         ; keepAliveSetTc (duDefs dus_gen)       -- Mark these guys to be kept alive
322
323                 -- Generate and rename any extra not-one-inst-decl-specific binds, 
324                 -- notably "con2tag" and/or "tag2con" functions.  
325                 -- Bring those names into scope before renaming the instances themselves
326         ; loc <- getSrcSpanM    -- Generic loc for shared bindings
327         ; let aux_binds = listToBag $ map (genAuxBind loc) $ 
328                           rm_dups [] $ concat deriv_aux_binds
329         ; rn_aux_lhs <- rnTopBindsLHS emptyFsEnv (ValBindsIn aux_binds [])
330         ; let aux_names = map unLoc (collectHsValBinders rn_aux_lhs)
331
332         ; bindLocalNames aux_names $ 
333     do  { (rn_aux, _dus) <- rnTopBindsRHS (mkNameSet aux_names) rn_aux_lhs
334         ; rn_inst_infos <- mapM rn_inst_info inst_infos
335         ; return (rn_inst_infos, rn_aux `plusHsValBinds` rn_gen) } }
336
337   where
338     (inst_infos, deriv_aux_binds) = unzip insts
339     
340         -- Remove duplicate requests for auxilliary bindings
341     rm_dups acc [] = acc
342     rm_dups acc (b:bs) | any (isDupAux b) acc = rm_dups acc bs
343                        | otherwise            = rm_dups (b:acc) bs
344
345
346     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co })
347         = return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co })
348
349     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst binds sigs })
350         =       -- Bring the right type variables into 
351                 -- scope (yuk), and rename the method binds
352            ASSERT( null sigs )
353            bindLocalNames (map Var.varName tyvars) $
354            do { (rn_binds, _fvs) <- rnMethodBinds clas_nm (\_ -> []) [] binds
355               ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst rn_binds [] }) }
356         where
357           (tyvars,_,clas,_) = instanceHead inst
358           clas_nm           = className clas
359
360 -----------------------------------------
361 mkGenericBinds :: Bool -> TcM (LHsBinds RdrName)
362 mkGenericBinds is_boot
363   | is_boot 
364   = return emptyBag
365   | otherwise
366   = do  { gbl_env <- getGblEnv
367         ; let tcs = typeEnvTyCons (tcg_type_env gbl_env)
368         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc | 
369                                   tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
370                 -- We are only interested in the data type declarations,
371                 -- and then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
372                 -- The predicate tyConHasGenerics finds both of these
373 \end{code}
374
375
376 %************************************************************************
377 %*                                                                      *
378                 From HsSyn to DerivSpec
379 %*                                                                      *
380 %************************************************************************
381
382 @makeDerivSpecs@ fishes around to find the info about needed derived instances.
383
384 \begin{code}
385 makeDerivSpecs :: Bool 
386                -> [LTyClDecl Name] 
387                -> [LInstDecl Name]
388                -> [LDerivDecl Name] 
389                -> TcM [EarlyDerivSpec]
390
391 makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
392   | is_boot     -- No 'deriving' at all in hs-boot files
393   = do  { mapM_ add_deriv_err deriv_locs 
394         ; return [] }
395   | otherwise
396   = do  { eqns1 <- mapAndRecoverM deriveTyData all_tydata
397         ; eqns2 <- mapAndRecoverM deriveStandalone deriv_decls
398         ; return (eqns1 ++ eqns2) }
399   where
400     extractTyDataPreds decls
401       = [(p, d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- decls, p <- preds]
402
403     all_tydata :: [(LHsType Name, LTyClDecl Name)]
404         -- Derived predicate paired with its data type declaration
405     all_tydata = extractTyDataPreds tycl_decls ++
406                  [ pd                -- Traverse assoc data families
407                  | L _ (InstDecl _ _ _ ats) <- inst_decls
408                  , pd <- extractTyDataPreds ats ]
409
410     deriv_locs = map (getLoc . snd) all_tydata
411                  ++ map getLoc deriv_decls
412
413     add_deriv_err loc = setSrcSpan loc $
414                         addErr (hang (ptext (sLit "Deriving not permitted in hs-boot file"))
415                                    2 (ptext (sLit "Use an instance declaration instead")))
416
417 ------------------------------------------------------------------
418 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM EarlyDerivSpec
419 -- Standalone deriving declarations
420 --  e.g.   deriving instance Show a => Show (T a)
421 -- Rather like tcLocalInstDecl
422 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
423   = setSrcSpan loc                   $
424     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
425     do { traceTc (text "standalone deriving decl for" <+> ppr deriv_ty)
426        ; (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
427        ; traceTc (text "standalone deriving;"
428               <+> text "tvs:" <+> ppr tvs
429               <+> text "theta:" <+> ppr theta
430               <+> text "tau:" <+> ppr tau)
431        ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstHead tau
432        ; checkValidInstance tvs theta cls inst_tys
433                 -- C.f. TcInstDcls.tcLocalInstDecl1
434
435        ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
436              inst_ty = last inst_tys
437        ; traceTc (text "standalone deriving;"
438               <+> text "class:" <+> ppr cls
439               <+> text "class types:" <+> ppr cls_tys
440               <+> text "type:" <+> ppr inst_ty)
441        ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty
442                    (Just theta) }
443
444 ------------------------------------------------------------------
445 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM EarlyDerivSpec
446 deriveTyData (L loc deriv_pred, L _ decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
447                                                    tcdTyVars = tv_names, 
448                                                    tcdTyPats = ty_pats }))
449   = setSrcSpan loc     $        -- Use the location of the 'deriving' item
450     tcAddDeclCtxt decl $
451     do  { (tvs, tc, tc_args) <- get_lhs ty_pats
452         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
453                                         -- the type variables for the type constructor
454
455     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
456                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
457                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
458
459         -- Given data T a b c = ... deriving( C d ),
460         -- we want to drop type variables from T so that (C d (T a)) is well-kinded
461         ; let cls_tyvars = classTyVars cls
462               kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
463               (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
464               n_args_to_drop = length arg_kinds 
465               n_args_to_keep = tyConArity tc - n_args_to_drop
466               args_to_drop   = drop n_args_to_keep tc_args
467               inst_ty        = mkTyConApp tc (take n_args_to_keep tc_args)
468               inst_ty_kind   = typeKind inst_ty
469               dropped_tvs    = mkVarSet (mapCatMaybes getTyVar_maybe args_to_drop)
470               univ_tvs       = (mkVarSet tvs `extendVarSetList` deriv_tvs)
471                                         `minusVarSet` dropped_tvs
472  
473         -- Check that the result really is well-kinded
474         ; checkTc (n_args_to_keep >= 0 && (inst_ty_kind `eqKind` kind))
475                   (derivingKindErr tc cls cls_tys kind)
476
477         ; checkTc (sizeVarSet dropped_tvs == n_args_to_drop &&           -- (a)
478                    tyVarsOfTypes (inst_ty:cls_tys) `subVarSet` univ_tvs) -- (b)
479                   (derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty)
480                 -- Check that 
481                 --  (a) The data type can be eta-reduced; eg reject:
482                 --              data instance T a a = ... deriving( Monad )
483                 --  (b) The type class args do not mention any of the dropped type
484                 --      variables 
485                 --              newtype T a s = ... deriving( ST s )
486
487         -- Type families can't be partially applied
488         -- e.g.   newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Monad )
489         -- Note [Deriving, type families, and partial applications]
490         ; checkTc (not (isOpenTyCon tc) || n_args_to_drop == 0)
491                   (typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty)
492
493         ; mkEqnHelp DerivOrigin (varSetElems univ_tvs) cls cls_tys inst_ty Nothing } }
494   where
495         -- Tiresomely we must figure out the "lhs", which is awkward for type families
496         -- E.g.   data T a b = .. deriving( Eq )
497         --          Here, the lhs is (T a b)
498         --        data instance TF Int b = ... deriving( Eq )
499         --          Here, the lhs is (TF Int b)
500         -- But if we just look up the tycon_name, we get is the *family*
501         -- tycon, but not pattern types -- they are in the *rep* tycon.
502     get_lhs Nothing     = do { tc <- tcLookupTyCon tycon_name
503                              ; let tvs = tyConTyVars tc
504                              ; return (tvs, tc, mkTyVarTys tvs) }
505     get_lhs (Just pats) = do { let hs_app = nlHsTyConApp tycon_name pats
506                              ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
507                              ; let (tc, tc_args) = tcSplitTyConApp tc_app
508                              ; return (tvs, tc, tc_args) }
509
510 deriveTyData _other
511   = panic "derivTyData" -- Caller ensures that only TyData can happen
512 \end{code}
513
514 Note [Deriving, type families, and partial applications]
515 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
516 When there are no type families, it's quite easy:
517
518     newtype S a = MkS [a]
519     -- :CoS :: S  ~ []  -- Eta-reduced
520
521     instance Eq [a] => Eq (S a)         -- by coercion sym (Eq (coMkS a)) : Eq [a] ~ Eq (S a)
522     instance Monad [] => Monad S        -- by coercion sym (Monad coMkS)  : Monad [] ~ Monad S 
523
524 When type familes are involved it's trickier:
525
526     data family T a b
527     newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Eq, Monad )
528     -- :RT is the representation type for (T Int a)
529     --  :CoF:R1T a :: T Int a ~ :RT a   -- Not eta reduced
530     --  :Co:R1T    :: :RT ~ []          -- Eta-reduced
531
532     instance Eq [a] => Eq (T Int a)     -- easy by coercion
533     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
534
535 The "???" bit is that we don't build the :CoF thing in eta-reduced form
536 Henc the current typeFamilyPapErr, even though the instance makes sense.
537 After all, we can write it out
538     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
539       return x = MkT [x]
540       ... etc ...       
541
542 \begin{code}
543 mkEqnHelp :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class -> [Type] -> Type
544           -> Maybe ThetaType    -- Just    => context supplied (standalone deriving)
545                                 -- Nothing => context inferred (deriving on data decl)
546           -> TcRn EarlyDerivSpec
547 -- Make the EarlyDerivSpec for an instance
548 --      forall tvs. theta => cls (tys ++ [ty])
549 -- where the 'theta' is optional (that's the Maybe part)
550 -- Assumes that this declaration is well-kinded
551
552 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app mtheta
553   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
554   , isAlgTyCon tycon    -- Check for functions, primitive types etc
555   = do  { (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupFamInstExact tycon tc_args
556                   -- Be careful to test rep_tc here: in the case of families, 
557                   -- we want to check the instance tycon, not the family tycon
558
559         -- For standalone deriving (mtheta /= Nothing), 
560         -- check that all the data constructors are in scope.
561         -- No need for this when deriving Typeable, becuase we don't need
562         -- the constructors for that.
563         ; rdr_env <- getGlobalRdrEnv
564         ; let hidden_data_cons = isAbstractTyCon rep_tc || any not_in_scope (tyConDataCons rep_tc)
565               not_in_scope dc  = null (lookupGRE_Name rdr_env (dataConName dc))
566         ; checkTc (isNothing mtheta || 
567                    not hidden_data_cons ||
568                    className cls `elem` typeableClassNames) 
569                   (derivingHiddenErr tycon)
570
571         ; dflags <- getDOpts
572         ; if isDataTyCon rep_tc then
573                 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
574                               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
575           else
576                 mkNewTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys 
577                              tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta }
578   | otherwise
579   = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys tc_app
580                (ptext (sLit "The last argument of the instance must be a data or newtype application")))
581 \end{code}
582
583 Note [Looking up family instances for deriving]
584 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
585 tcLookupFamInstExact is an auxiliary lookup wrapper which requires
586 that looked-up family instances exist.  If called with a vanilla
587 tycon, the old type application is simply returned.
588
589 If we have
590   data instance F () = ... deriving Eq
591   data instance F () = ... deriving Eq
592 then tcLookupFamInstExact will be confused by the two matches;
593 but that can't happen because tcInstDecls1 doesn't call tcDeriving
594 if there are any overlaps.
595
596 There are two other things that might go wrong with the lookup.
597 First, we might see a standalone deriving clause
598         deriving Eq (F ())
599 when there is no data instance F () in scope. 
600
601 Note that it's OK to have
602   data instance F [a] = ...
603   deriving Eq (F [(a,b)])
604 where the match is not exact; the same holds for ordinary data types
605 with standalone deriving declrations.
606
607 \begin{code}
608 tcLookupFamInstExact :: TyCon -> [Type] -> TcM (TyCon, [Type])
609 tcLookupFamInstExact tycon tys
610   | not (isOpenTyCon tycon)
611   = return (tycon, tys)
612   | otherwise
613   = do { maybeFamInst <- tcLookupFamInst tycon tys
614        ; case maybeFamInst of
615            Nothing      -> famInstNotFound tycon tys
616            Just famInst -> return famInst
617        }
618
619 famInstNotFound :: TyCon -> [Type] -> TcM a
620 famInstNotFound tycon tys 
621   = failWithTc (ptext (sLit "No family instance for")
622                         <+> quotes (pprTypeApp tycon tys))
623 \end{code}
624
625
626 %************************************************************************
627 %*                                                                      *
628                 Deriving data types
629 %*                                                                      *
630 %************************************************************************
631
632 \begin{code}
633 mkDataTypeEqn :: InstOrigin
634               -> DynFlags
635               -> [Var]                  -- Universally quantified type variables in the instance
636               -> Class                  -- Class for which we need to derive an instance
637               -> [Type]                 -- Other parameters to the class except the last
638               -> TyCon                  -- Type constructor for which the instance is requested (last parameter to the type class)
639               -> [Type]                 -- Parameters to the type constructor
640               -> TyCon                  -- rep of the above (for type families)
641               -> [Type]                 -- rep of the above
642               -> Maybe ThetaType        -- Context of the instance, for standalone deriving
643               -> TcRn EarlyDerivSpec    -- Return 'Nothing' if error
644
645 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
646               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
647   = case checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc of
648         -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
649         CanDerive -> mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
650         NonDerivableClass       -> bale_out (nonStdErr cls)
651         DerivableClassError msg -> bale_out msg
652   where
653     bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) msg)
654
655 mk_data_eqn, mk_typeable_eqn
656    :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class 
657    -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> Maybe ThetaType
658    -> TcM EarlyDerivSpec
659 mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
660   | getName cls `elem` typeableClassNames
661   = mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
662
663   | otherwise
664   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
665         ; loc <- getSrcSpanM
666         ; let ordinary_constraints_simple
667                 = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
668                   | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
669                     arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
670                                 dataConInstOrigArgTys data_con rep_tc_args,
671                     not (isUnLiftedType arg_ty) ]
672                         -- No constraints for unlifted types
673                         -- Where they are legal we generate specilised function calls
674
675               -- constraints on all subtypes for classes like Functor
676               ordinary_constraints_deep
677                 = [ mkClassPred cls [deept_ty]
678                   | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
679                     arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
680                                 dataConInstOrigArgTys data_con (rep_tc_args++[mkTyVarTy dummy_ty]),
681                     deept_ty <- deepSubtypesContaining dummy_ty arg_ty,
682                     not (isUnLiftedType deept_ty) ]
683                where dummy_ty = last (tyConTyVars tycon) -- don't substitute the last var, this might not be a good idea
684
685               ordinary_constraints
686                | getUnique cls == functorClassKey     = ordinary_constraints_deep
687                | getUnique cls == foldableClassKey    = ordinary_constraints_deep
688                | getUnique cls == traversableClassKey = ordinary_constraints_deep
689                | otherwise                            = ordinary_constraints_simple
690
691                         -- See Note [Superclasses of derived instance]
692               sc_constraints = substTheta (zipOpenTvSubst (classTyVars cls) inst_tys)
693                                           (classSCTheta cls)
694               inst_tys = [mkTyConApp tycon tc_args]
695
696               nonfree_tycon_vars = dropTail (classArity cls) (tyConTyVars rep_tc)
697               stupid_subst = zipTopTvSubst nonfree_tycon_vars rep_tc_args
698               stupid_constraints = substTheta stupid_subst (tyConStupidTheta rep_tc)
699
700               all_constraints = stupid_constraints ++ sc_constraints ++ ordinary_constraints
701
702               spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
703                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = tvs 
704                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
705                         , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
706                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_constraints
707                         , ds_newtype = False }
708
709         ; return (if isJust mtheta then Right spec      -- Specified context
710                                    else Left spec) }    -- Infer context
711
712 mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
713         -- The Typeable class is special in several ways
714         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
715         -- gives
716         --        instance Typeable2 T where ...
717         -- Notice that:
718         -- 1. There are no constraints in the instance
719         -- 2. There are no type variables either
720         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
721         --      Typeable; it depends on the arity of the type
722   | isNothing mtheta    -- deriving on a data type decl
723   = do  { checkTc (cls `hasKey` typeableClassKey)
724                   (ptext (sLit "Use deriving( Typeable ) on a data type declaration"))
725         ; real_cls <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
726         ; mk_typeable_eqn orig tvs real_cls tycon [] rep_tc [] (Just []) }
727
728   | otherwise           -- standaone deriving
729   = do  { checkTc (null tc_args)
730                   (ptext (sLit "Derived typeable instance must be of form (Typeable") 
731                         <> int (tyConArity tycon) <+> ppr tycon <> rparen)
732         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
733         ; loc <- getSrcSpanM
734         ; return (Right $
735                   DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_name = dfun_name, ds_tvs = []
736                      , ds_cls = cls, ds_tys = [mkTyConApp tycon []]
737                      , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
738                      , ds_theta = mtheta `orElse` [], ds_newtype = False })  }
739
740
741 ------------------------------------------------------------------
742 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
743 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
744 --
745 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
746 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
747 -- family tycon (with indexes) in error messages.
748
749 data DerivStatus = CanDerive
750                  | DerivableClassError SDoc     -- Standard class, but can't do it
751                  | NonDerivableClass            -- Non-standard class
752
753 checkSideConditions :: DynFlags -> Class -> [TcType] -> TyCon -> DerivStatus
754 checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc
755   | Just cond <- sideConditions cls
756   = case (cond (dflags, rep_tc)) of
757         Just err -> DerivableClassError err     -- Class-specific error
758         Nothing  | null cls_tys -> CanDerive
759                  | otherwise    -> DerivableClassError ty_args_why      -- e.g. deriving( Eq s )
760   | otherwise = NonDerivableClass       -- Not a standard class
761   where
762     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "is not a class")
763
764 nonStdErr :: Class -> SDoc
765 nonStdErr cls = quotes (ppr cls) <+> ptext (sLit "is not a derivable class")
766
767 sideConditions :: Class -> Maybe Condition
768 sideConditions cls
769   | cls_key == eqClassKey      = Just cond_std
770   | cls_key == ordClassKey     = Just cond_std
771   | cls_key == showClassKey    = Just cond_std
772   | cls_key == readClassKey    = Just (cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
773   | cls_key == enumClassKey    = Just (cond_std `andCond` cond_isEnumeration)
774   | cls_key == ixClassKey      = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
775   | cls_key == boundedClassKey = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
776   | cls_key == dataClassKey    = Just (cond_mayDeriveDataTypeable `andCond` cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
777   | cls_key == functorClassKey = Just (cond_mayDeriveFunctor `andCond` cond_std `andCond` cond_functorOK True)
778   | cls_key == foldableClassKey = Just (cond_mayDeriveFunctor `andCond` cond_std `andCond` cond_functorOK False)
779   | cls_key == traversableClassKey = Just (cond_mayDeriveFunctor `andCond` cond_std `andCond` cond_functorOK False)
780   | getName cls `elem` typeableClassNames = Just (cond_mayDeriveDataTypeable `andCond` cond_typeableOK)
781   | otherwise = Nothing
782   where
783     cls_key = getUnique cls
784
785 type Condition = (DynFlags, TyCon) -> Maybe SDoc
786         -- first Bool is whether or not we are allowed to derive Data and Typeable
787         -- second Bool is whether or not we are allowed to derive Functor
788         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
789         --      data type is an indexed one
790         -- Nothing => OK
791
792 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
793 orCond c1 c2 tc 
794   = case c1 tc of
795         Nothing -> Nothing              -- c1 succeeds
796         Just x  -> case c2 tc of        -- c1 fails
797                      Nothing -> Nothing
798                      Just y  -> Just (x $$ ptext (sLit "  and") $$ y)
799                                         -- Both fail
800
801 andCond :: Condition -> Condition -> Condition
802 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
803                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
804                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
805
806 cond_std :: Condition
807 cond_std (_, rep_tc)
808   | any (not . isVanillaDataCon) data_cons = Just existential_why     
809   | null data_cons                         = Just no_cons_why
810   | otherwise                              = Nothing
811   where
812     data_cons       = tyConDataCons rep_tc
813     no_cons_why     = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
814                       ptext (sLit "has no data constructors")
815     existential_why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
816                       ptext (sLit "has non-Haskell-98 constructor(s)")
817   
818 cond_enumOrProduct :: Condition
819 cond_enumOrProduct = cond_isEnumeration `orCond` 
820                        (cond_isProduct `andCond` cond_noUnliftedArgs)
821
822 cond_noUnliftedArgs :: Condition
823 -- For some classes (eg Eq, Ord) we allow unlifted arg types
824 -- by generating specilaised code.  For others (eg Data) we don't.
825 cond_noUnliftedArgs (_, tc)
826   | null bad_cons = Nothing
827   | otherwise     = Just why
828   where
829     bad_cons = [ con | con <- tyConDataCons tc
830                      , any isUnLiftedType (dataConOrigArgTys con) ]
831     why = ptext (sLit "Constructor") <+> quotes (ppr (head bad_cons))
832           <+> ptext (sLit "has arguments of unlifted type")
833
834 cond_isEnumeration :: Condition
835 cond_isEnumeration (_, rep_tc)
836   | isEnumerationTyCon rep_tc = Nothing
837   | otherwise                 = Just why
838   where
839     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
840           ptext (sLit "has non-nullary constructors")
841
842 cond_isProduct :: Condition
843 cond_isProduct (_, rep_tc)
844   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
845   | otherwise             = Just why
846   where
847     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
848           ptext (sLit "has more than one constructor")
849
850 cond_typeableOK :: Condition
851 -- OK for Typeable class
852 -- Currently: (a) args all of kind *
853 --            (b) 7 or fewer args
854 cond_typeableOK (_, rep_tc)
855   | tyConArity rep_tc > 7       = Just too_many
856   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars rep_tc)) 
857                                 = Just bad_kind
858   | isFamInstTyCon rep_tc       = Just fam_inst  -- no Typable for family insts
859   | otherwise                   = Nothing
860   where
861     too_many = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
862                ptext (sLit "has too many arguments")
863     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
864                ptext (sLit "has arguments of kind other than `*'")
865     fam_inst = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
866                ptext (sLit "is a type family")
867
868 cond_functorOK :: Bool -> Condition
869 -- OK for Functor class
870 -- Currently: (a) at least one argument
871 --            (b) don't use argument contravariantly
872 --            (c) don't use argument in the wrong place, e.g. data T a = T (X a a)
873 --            (d) optionally: don't use function types
874 cond_functorOK allowFunctions (_, rep_tc) = msum (map check con_types)
875   where
876     data_cons = tyConDataCons rep_tc
877     con_types = concatMap dataConOrigArgTys data_cons
878     check = functorLikeTraverse
879                     Nothing
880                     Nothing
881                     (Just covariant)
882                     (\x y   -> if allowFunctions then x `mplus` y else Just functions)
883                     (\_ xs  -> msum xs)
884                     (\_ x   -> x)
885                     (Just wrong_arg)
886                     (\_ x   -> x)
887                     (last (tyConTyVars rep_tc))
888     covariant = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
889                 ptext (sLit "uses the type variable in a function argument")
890     functions = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
891                 ptext (sLit "contains function types")
892     wrong_arg = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
893                 ptext (sLit "uses the type variable in an argument other than the last")
894
895 cond_mayDeriveDataTypeable :: Condition
896 cond_mayDeriveDataTypeable (dflags, _)
897  | dopt Opt_DeriveDataTypeable dflags = Nothing
898  | otherwise = Just why
899   where
900     why  = ptext (sLit "You need -XDeriveDataTypeable to derive an instance for this class")
901
902 cond_mayDeriveFunctor :: Condition
903 cond_mayDeriveFunctor (dflags, _)
904  | dopt Opt_DeriveFunctor dflags = Nothing
905  | otherwise = Just why
906   where
907     why  = ptext (sLit "You need -XDeriveFunctor to derive an instance for this class")
908
909 std_class_via_iso :: Class -> Bool
910 std_class_via_iso clas  -- These standard classes can be derived for a newtype
911                         -- using the isomorphism trick *even if no -fglasgow-exts*
912   = classKey clas `elem`  [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
913         -- Not Read/Show because they respect the type
914         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
915
916
917 new_dfun_name :: Class -> TyCon -> TcM Name
918 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
919   = do { loc <- getSrcSpanM     -- The location of the instance decl, not of the tycon
920         ; newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] loc }
921         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
922         -- a suitable string; hence the empty type arg list
923 \end{code}
924
925 Note [Superclasses of derived instance] 
926 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
927 In general, a derived instance decl needs the superclasses of the derived
928 class too.  So if we have
929         data T a = ...deriving( Ord )
930 then the initial context for Ord (T a) should include Eq (T a).  Often this is 
931 redundant; we'll also generate an Ord constraint for each constructor argument,
932 and that will probably generate enough constraints to make the Eq (T a) constraint 
933 be satisfied too.  But not always; consider:
934
935  data S a = S
936  instance Eq (S a)
937  instance Ord (S a)
938
939  data T a = MkT (S a) deriving( Ord )
940  instance Num a => Eq (T a)
941
942 The derived instance for (Ord (T a)) must have a (Num a) constraint!
943 Similarly consider:
944         data T a = MkT deriving( Data, Typeable )
945 Here there *is* no argument field, but we must nevertheless generate
946 a context for the Data instances:
947         instance Typable a => Data (T a) where ...
948
949
950 %************************************************************************
951 %*                                                                      *
952                 Deriving newtypes
953 %*                                                                      *
954 %************************************************************************
955
956 \begin{code}
957 mkNewTypeEqn :: InstOrigin -> DynFlags -> [Var] -> Class
958              -> [Type] -> TyCon -> [Type] -> TyCon -> [Type]
959              -> Maybe ThetaType
960              -> TcRn EarlyDerivSpec
961 mkNewTypeEqn orig dflags tvs
962              cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
963 -- Want: instance (...) => cls (cls_tys ++ [tycon tc_args]) where ...
964   | can_derive_via_isomorphism && (newtype_deriving || std_class_via_iso cls)
965   = do  { traceTc (text "newtype deriving:" <+> ppr tycon <+> ppr rep_tys)
966         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
967         ; loc <- getSrcSpanM
968         ; let spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
969                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = varSetElems dfun_tvs 
970                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
971                         , ds_tc = rep_tycon, ds_tc_args = rep_tc_args
972                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_preds
973                         , ds_newtype = True }
974         ; return (if isJust mtheta then Right spec
975                                    else Left spec) }
976
977   | otherwise
978   = case check_conditions of
979       CanDerive -> mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
980                                 -- Use the standard H98 method
981       DerivableClassError msg -> bale_out msg              -- Error with standard class
982       NonDerivableClass         -- Must use newtype deriving
983         | newtype_deriving    -> bale_out cant_derive_err  -- Too hard, even with newtype deriving
984         | otherwise           -> bale_out non_std_err      -- Try newtype deriving!
985   where
986         newtype_deriving = dopt Opt_GeneralizedNewtypeDeriving dflags
987         check_conditions = checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tycon
988         bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys inst_ty msg)
989
990         non_std_err = nonStdErr cls $$
991                       ptext (sLit "Try -XGeneralizedNewtypeDeriving for GHC's newtype-deriving extension")
992
993         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
994         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
995         -- where t is a type,
996         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
997         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
998         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
999         --                      with the last parameter missing
1000         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
1001         --              (and hence so does t)
1002         -- The latter kind-check has been done by deriveTyData already,
1003         -- and tc_args are already trimmed
1004         --
1005         -- We generate the instance
1006         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
1007         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
1008         -- where T a1...ap is the partial application of 
1009         --       the LHS of the correct kind and p >= k
1010         --
1011         --      NB: the variables below are:
1012         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
1013         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
1014         --              rep_ty = t ak .. an
1015         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
1016         --              tys = [s1, ..., sm]
1017         --              rep_fn' = t
1018         --
1019         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
1020         -- We generate the instance
1021         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
1022
1023         nt_eta_arity = length (fst (newTyConEtadRhs rep_tycon))
1024                 -- For newtype T a b = MkT (S a a b), the TyCon machinery already
1025                 -- eta-reduces the representation type, so we know that
1026                 --      T a ~ S a a
1027                 -- That's convenient here, because we may have to apply
1028                 -- it to fewer than its original complement of arguments
1029
1030         -- Note [Newtype representation]
1031         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1032         -- Need newTyConRhs (*not* a recursive representation finder) 
1033         -- to get the representation type. For example
1034         --      newtype B = MkB Int
1035         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
1036         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
1037         -- when making the Num instance of A!
1038         rep_inst_ty = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
1039         rep_tys     = cls_tys ++ [rep_inst_ty]
1040         rep_pred    = mkClassPred cls rep_tys
1041                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
1042                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
1043                 -- dictionary 
1044
1045
1046     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
1047     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
1048
1049         cls_tyvars = classTyVars cls
1050         dfun_tvs = tyVarsOfTypes inst_tys
1051         inst_ty = mkTyConApp tycon tc_args
1052         inst_tys = cls_tys ++ [inst_ty]
1053         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
1054                               (classSCTheta cls)
1055
1056                 -- If there are no tyvars, there's no need
1057                 -- to abstract over the dictionaries we need
1058                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
1059                 -- We get the derived instance
1060                 --              instance C T
1061                 -- rather than
1062                 --              instance C Int => C T
1063         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
1064
1065         -------------------------------------------------------------------
1066         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
1067
1068         can_derive_via_isomorphism
1069            =  not (non_iso_class cls)
1070            && arity_ok
1071            && eta_ok
1072            && ats_ok
1073 --         && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Note [Recursive newtypes]
1074
1075                 -- Never derive Read,Show,Typeable,Data by isomorphism
1076         non_iso_class cls = className cls `elem` ([readClassName, showClassName, dataClassName] ++
1077                                                   typeableClassNames)
1078
1079         arity_ok = length cls_tys + 1 == classArity cls
1080                 -- Well kinded; eg not: newtype T ... deriving( ST )
1081                 --                      because ST needs *2* type params
1082
1083         -- Check that eta reduction is OK
1084         eta_ok = nt_eta_arity <= length rep_tc_args
1085                 -- The newtype can be eta-reduced to match the number
1086                 --     of type argument actually supplied
1087                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
1088                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
1089                 --     And the [a] must not mention 'b'.  That's all handled
1090                 --     by nt_eta_rity.
1091
1092         ats_ok = null (classATs cls)    
1093                -- No associated types for the class, because we don't 
1094                -- currently generate type 'instance' decls; and cannot do
1095                -- so for 'data' instance decls
1096                                          
1097         cant_derive_err
1098            = vcat [ ptext (sLit "even with cunning newtype deriving:")
1099                   , if arity_ok then empty else arity_msg
1100                   , if eta_ok then empty else eta_msg
1101                   , if ats_ok then empty else ats_msg ]
1102         arity_msg = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "does not have arity 1")
1103         eta_msg   = ptext (sLit "cannot eta-reduce the representation type enough")
1104         ats_msg   = ptext (sLit "the class has associated types")
1105 \end{code}
1106
1107 Note [Recursive newtypes]
1108 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1109 Newtype deriving works fine, even if the newtype is recursive.
1110 e.g.    newtype S1 = S1 [T1 ()]
1111         newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
1112 Remember, too, that type families are curretly (conservatively) given
1113 a recursive flag, so this also allows newtype deriving to work
1114 for type famillies.
1115
1116 We used to exclude recursive types, because we had a rather simple
1117 minded way of generating the instance decl:
1118    newtype A = MkA [A]
1119    instance Eq [A] => Eq A      -- Makes typechecker loop!
1120 But now we require a simple context, so it's ok.
1121
1122
1123 %************************************************************************
1124 %*                                                                      *
1125 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
1126 %*                                                                      *
1127 %************************************************************************
1128
1129 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
1130 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
1131 equation.
1132 \begin{itemize}
1133 \item
1134 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
1135 variable, tv.
1136
1137 \item
1138 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
1139 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
1140 (minor key)
1141 \end{itemize}
1142
1143 \begin{code}
1144 inferInstanceContexts :: OverlapFlag -> [DerivSpec] -> TcM [DerivSpec]
1145
1146 inferInstanceContexts _ [] = return []
1147
1148 inferInstanceContexts oflag infer_specs
1149   = do  { traceTc (text "inferInstanceContexts" <+> vcat (map pprDerivSpec infer_specs))
1150         ; iterate_deriv 1 initial_solutions }
1151   where
1152     ------------------------------------------------------------------
1153         -- The initial solutions for the equations claim that each
1154         -- instance has an empty context; this solution is certainly
1155         -- in canonical form.
1156     initial_solutions :: [ThetaType]
1157     initial_solutions = [ [] | _ <- infer_specs ]
1158
1159     ------------------------------------------------------------------
1160         -- iterate_deriv calculates the next batch of solutions,
1161         -- compares it with the current one; finishes if they are the
1162         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
1163         -- It fails if any iteration fails
1164     iterate_deriv :: Int -> [ThetaType] -> TcM [DerivSpec]
1165     iterate_deriv n current_solns
1166       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
1167                 -- This can happen if we have -XUndecidableInstances
1168                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
1169       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
1170                  (vcat (map pprDerivSpec infer_specs) $$ ppr current_solns)
1171       | otherwise
1172       = do {      -- Extend the inst info from the explicit instance decls
1173                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
1174              let inst_specs = zipWithEqual "add_solns" (mkInstance oflag)
1175                                            current_solns infer_specs
1176            ; new_solns <- checkNoErrs $
1177                           extendLocalInstEnv inst_specs $
1178                           mapM gen_soln infer_specs
1179
1180            ; if (current_solns == new_solns) then
1181                 return [ spec { ds_theta = soln } 
1182                        | (spec, soln) <- zip infer_specs current_solns ]
1183              else
1184                 iterate_deriv (n+1) new_solns }
1185
1186     ------------------------------------------------------------------
1187     gen_soln :: DerivSpec  -> TcM [PredType]
1188     gen_soln (DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_tvs = tyvars 
1189                  , ds_cls = clas, ds_tys = inst_tys, ds_theta = deriv_rhs })
1190       = setSrcSpan loc  $
1191         addErrCtxt (derivInstCtxt clas inst_tys) $ 
1192         do { theta <- tcSimplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
1193                 -- checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1194                 -- Not necessary; see Note [Exotic derived instance contexts]
1195                 --                in TcSimplify
1196
1197                   -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1198                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1199                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1200                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1201                   -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
1202            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
1203                  weird_preds = [pred | pred <- theta, not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
1204            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
1205
1206                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
1207                 -- Hence no need to call:
1208                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1209            ; return (sortLe (<=) theta) }       -- Canonicalise before returning the solution
1210
1211 ------------------------------------------------------------------
1212 mkInstance :: OverlapFlag -> ThetaType -> DerivSpec -> Instance
1213 mkInstance overlap_flag theta
1214             (DS { ds_name = dfun_name
1215                 , ds_tvs = tyvars, ds_cls = clas, ds_tys = tys })
1216   = mkLocalInstance dfun overlap_flag
1217   where
1218     dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas tys
1219
1220
1221 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
1222 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
1223 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
1224 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
1225  = do { env <- getGblEnv
1226       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
1227              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
1228       ; setGblEnv env' thing_inside }
1229 \end{code}
1230
1231
1232 %************************************************************************
1233 %*                                                                      *
1234 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
1235 %*                                                                      *
1236 %************************************************************************
1237
1238 After all the trouble to figure out the required context for the
1239 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
1240 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
1241 will do all its usual business.
1242
1243 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
1244 various general remarks.
1245
1246 PRINCIPLES:
1247 \begin{itemize}
1248 \item
1249 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
1250 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
1251
1252 \item
1253 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
1254
1255 \item
1256 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
1257 \end{itemize}
1258
1259 PRAGMATICS:
1260
1261 \begin{itemize}
1262 \item
1263 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
1264
1265 \item
1266 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
1267
1268 \item
1269 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
1270 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
1271
1272 \item
1273 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
1274 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
1275 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
1276 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
1277
1278 The examples under the different sections below will make this
1279 clearer.
1280
1281 \item
1282 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
1283 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
1284
1285 \item
1286 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
1287 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
1288 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
1289 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
1290 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
1291 the renamer.  What a great hack!
1292 \end{itemize}
1293
1294 \begin{code}
1295 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
1296 --   *representation* tycon for that instance,
1297 -- plus any auxiliary bindings required
1298 --
1299 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
1300 -- case of instances for indexed families.
1301 --
1302 genInst :: OverlapFlag -> DerivSpec -> TcM (InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)
1303 genInst oflag spec
1304   | ds_newtype spec
1305   = return (InstInfo { iSpec  = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1306                      , iBinds = NewTypeDerived co }, [])
1307
1308   | otherwise
1309   = do  { let loc        = getSrcSpan (ds_name spec)
1310               inst       = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1311               clas       = ds_cls spec
1312
1313           -- In case of a family instance, we need to use the representation
1314           -- tycon (after all, it has the data constructors)
1315         ; fix_env <- getFixityEnv
1316         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds loc fix_env clas rep_tycon
1317
1318         -- Build the InstInfo
1319         ; return (InstInfo { iSpec = inst, 
1320                              iBinds = VanillaInst meth_binds [] },
1321                   aux_binds)
1322         }
1323   where
1324     rep_tycon   = ds_tc spec
1325     rep_tc_args = ds_tc_args spec
1326     co1 = case tyConFamilyCoercion_maybe rep_tycon of
1327               Nothing     -> IdCo
1328               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1329     co2 = case newTyConCo_maybe rep_tycon of
1330               Nothing     -> IdCo       -- The newtype is transparent; no need for a cast
1331               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1332     co = co1 `mkTransCoI` co2
1333
1334 -- Example: newtype instance N [a] = N1 (Tree a) 
1335 --          deriving instance Eq b => Eq (N [(b,b)])
1336 -- From the instance, we get an implicit newtype R1:N a = N1 (Tree a)
1337 -- When dealing with the deriving clause
1338 --    co1 : N [(b,b)] ~ R1:N (b,b)
1339 --    co2 : R1:N (b,b) ~ Tree (b,b)
1340
1341 genDerivBinds :: SrcSpan -> FixityEnv -> Class -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds)
1342 genDerivBinds loc fix_env clas tycon
1343   | className clas `elem` typeableClassNames
1344   = (gen_Typeable_binds loc tycon, [])
1345
1346   | otherwise
1347   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
1348         Just gen_fn -> gen_fn loc tycon
1349         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
1350   where
1351     gen_list :: [(Unique, SrcSpan -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds))]
1352     gen_list = [(eqClassKey,       gen_Eq_binds)
1353                ,(ordClassKey,      gen_Ord_binds)
1354                ,(enumClassKey,     gen_Enum_binds)
1355                ,(boundedClassKey,  gen_Bounded_binds)
1356                ,(ixClassKey,       gen_Ix_binds)
1357                ,(showClassKey,     gen_Show_binds fix_env)
1358                ,(readClassKey,     gen_Read_binds fix_env)
1359                ,(dataClassKey,     gen_Data_binds)
1360                ,(functorClassKey,  gen_Functor_binds)
1361                ,(foldableClassKey, gen_Foldable_binds)
1362                ,(traversableClassKey, gen_Traversable_binds)
1363                ]
1364 \end{code}
1365
1366
1367 %************************************************************************
1368 %*                                                                      *
1369 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1370 %*                                                                      *
1371 %************************************************************************
1372
1373 \begin{code}
1374 derivingKindErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Kind -> Message
1375 derivingKindErr tc cls cls_tys cls_kind
1376   = hang (ptext (sLit "Cannot derive well-kinded instance of form")
1377                 <+> quotes (pprClassPred cls cls_tys <+> parens (ppr tc <+> ptext (sLit "..."))))
1378        2 (ptext (sLit "Class") <+> quotes (ppr cls)
1379             <+> ptext (sLit "expects an argument of kind") <+> quotes (pprKind cls_kind))
1380
1381 derivingEtaErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message
1382 derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty
1383   = sep [ptext (sLit "Cannot eta-reduce to an instance of form"),
1384          nest 2 (ptext (sLit "instance (...) =>")
1385                 <+> pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty]))]
1386
1387 typeFamilyPapErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Type -> Message
1388 typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty
1389   = hang (ptext (sLit "Derived instance") <+> quotes (pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty])))
1390        2 (ptext (sLit "requires illegal partial application of data type family") <+> ppr tc) 
1391
1392 derivingThingErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message -> Message
1393 derivingThingErr clas tys ty why
1394   = sep [hsep [ptext (sLit "Can't make a derived instance of"), 
1395                quotes (ppr pred)],
1396          nest 2 (parens why)]
1397   where
1398     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1399
1400 derivingHiddenErr :: TyCon -> SDoc
1401 derivingHiddenErr tc
1402   = hang (ptext (sLit "The data constructors of") <+> quotes (ppr tc) <+> ptext (sLit "are not all in scope"))
1403        2 (ptext (sLit "so you cannot derive an instance for it"))
1404
1405 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1406 standaloneCtxt ty = hang (ptext (sLit "In the stand-alone deriving instance for")) 
1407                        2 (quotes (ppr ty))
1408
1409 derivInstCtxt :: Class -> [Type] -> Message
1410 derivInstCtxt clas inst_tys
1411   = ptext (sLit "When deriving the instance for") <+> parens (pprClassPred clas inst_tys)
1412
1413 badDerivedPred :: PredType -> Message
1414 badDerivedPred pred
1415   = vcat [ptext (sLit "Can't derive instances where the instance context mentions"),
1416           ptext (sLit "type variables that are not data type parameters"),
1417           nest 2 (ptext (sLit "Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1418 \end{code}