New syntax for GADT-style record declarations, and associated refactoring
[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 Note [Unused constructors and deriving clauses]
261 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
262 See Trac #3221.  Consider
263    data T = T1 | T2 deriving( Show )
264 Are T1 and T2 unused?  Well, no: the deriving clause expands to mention
265 both of them.  So we gather defs/uses from deriving just like anything else.
266
267 %************************************************************************
268 %*                                                                      *
269 \subsection[TcDeriv-driver]{Top-level function for \tr{derivings}}
270 %*                                                                      *
271 %************************************************************************
272
273 \begin{code}
274 tcDeriving  :: [LTyClDecl Name]  -- All type constructors
275             -> [LInstDecl Name]  -- All instance declarations
276             -> [LDerivDecl Name] -- All stand-alone deriving declarations
277             -> TcM ([InstInfo Name],    -- The generated "instance decls"
278                     HsValBinds Name,    -- Extra generated top-level bindings
279                     DefUses)
280
281 tcDeriving tycl_decls inst_decls deriv_decls
282   = recoverM (return ([], emptyValBindsOut, emptyDUs)) $
283     do  {       -- Fish the "deriving"-related information out of the TcEnv
284                 -- And make the necessary "equations".
285           is_boot <- tcIsHsBoot
286         ; traceTc (text "tcDeriving" <+> ppr is_boot)
287         ; early_specs <- makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
288
289         ; overlap_flag <- getOverlapFlag
290         ; let (infer_specs, given_specs) = splitEithers early_specs
291         ; insts1 <- mapM (genInst overlap_flag) given_specs
292
293         ; final_specs <- extendLocalInstEnv (map (iSpec . fst) insts1) $
294                          inferInstanceContexts overlap_flag infer_specs
295
296         ; insts2 <- mapM (genInst overlap_flag) final_specs
297
298                  -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
299         ; gen_binds <- mkGenericBinds is_boot
300         ; (inst_info, rn_binds, rn_dus) <- renameDeriv is_boot gen_binds (insts1 ++ insts2)
301
302         ; dflags <- getDOpts
303         ; liftIO (dumpIfSet_dyn dflags Opt_D_dump_deriv "Derived instances"
304                  (ddump_deriving inst_info rn_binds))
305
306         ; return (inst_info, rn_binds, rn_dus) }
307   where
308     ddump_deriving :: [InstInfo Name] -> HsValBinds Name -> SDoc
309     ddump_deriving inst_infos extra_binds
310       = vcat (map pprInstInfoDetails inst_infos) $$ ppr extra_binds
311
312 renameDeriv :: Bool -> LHsBinds RdrName
313             -> [(InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)]
314             -> TcM ([InstInfo Name], HsValBinds Name, DefUses)
315 renameDeriv is_boot gen_binds insts
316   | is_boot     -- If we are compiling a hs-boot file, don't generate any derived bindings
317                 -- The inst-info bindings will all be empty, but it's easier to
318                 -- just use rn_inst_info to change the type appropriately
319   = do  { (rn_inst_infos, fvs) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos  
320         ; return (rn_inst_infos, emptyValBindsOut, usesOnly (plusFVs fvs)) }
321
322   | otherwise
323   = discardWarnings $    -- Discard warnings about unused bindings etc
324     do  { (rn_gen, dus_gen) <- setOptM Opt_ScopedTypeVariables $  -- Type signatures in patterns 
325                                                                   -- are used in the generic binds
326                                rnTopBinds (ValBindsIn gen_binds [])
327         ; keepAliveSetTc (duDefs dus_gen)       -- Mark these guys to be kept alive
328
329                 -- Generate and rename any extra not-one-inst-decl-specific binds, 
330                 -- notably "con2tag" and/or "tag2con" functions.  
331                 -- Bring those names into scope before renaming the instances themselves
332         ; loc <- getSrcSpanM    -- Generic loc for shared bindings
333         ; let aux_binds = listToBag $ map (genAuxBind loc) $ 
334                           rm_dups [] $ concat deriv_aux_binds
335         ; rn_aux_lhs <- rnTopBindsLHS emptyFsEnv (ValBindsIn aux_binds [])
336         ; let aux_names = map unLoc (collectHsValBinders rn_aux_lhs)
337
338         ; bindLocalNames aux_names $ 
339     do  { (rn_aux, dus_aux) <- rnTopBindsRHS (mkNameSet aux_names) rn_aux_lhs
340         ; (rn_inst_infos, fvs_insts) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos
341         ; return (rn_inst_infos, rn_aux `plusHsValBinds` rn_gen,
342                   dus_gen `plusDU` dus_aux `plusDU` usesOnly (plusFVs fvs_insts)) } }
343
344   where
345     (inst_infos, deriv_aux_binds) = unzip insts
346     
347         -- Remove duplicate requests for auxilliary bindings
348     rm_dups acc [] = acc
349     rm_dups acc (b:bs) | any (isDupAux b) acc = rm_dups acc bs
350                        | otherwise            = rm_dups (b:acc) bs
351
352
353     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co })
354         = return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co }, emptyFVs)
355
356     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst binds sigs })
357         =       -- Bring the right type variables into 
358                 -- scope (yuk), and rename the method binds
359            ASSERT( null sigs )
360            bindLocalNames (map Var.varName tyvars) $
361            do { (rn_binds, fvs) <- rnMethodBinds clas_nm (\_ -> []) [] binds
362               ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst rn_binds [] }, fvs) }
363         where
364           (tyvars,_,clas,_) = instanceHead inst
365           clas_nm           = className clas
366
367 -----------------------------------------
368 mkGenericBinds :: Bool -> TcM (LHsBinds RdrName)
369 mkGenericBinds is_boot
370   | is_boot 
371   = return emptyBag
372   | otherwise
373   = do  { gbl_env <- getGblEnv
374         ; let tcs = typeEnvTyCons (tcg_type_env gbl_env)
375         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc | 
376                                   tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
377                 -- We are only interested in the data type declarations,
378                 -- and then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
379                 -- The predicate tyConHasGenerics finds both of these
380 \end{code}
381
382
383 %************************************************************************
384 %*                                                                      *
385                 From HsSyn to DerivSpec
386 %*                                                                      *
387 %************************************************************************
388
389 @makeDerivSpecs@ fishes around to find the info about needed derived instances.
390
391 \begin{code}
392 makeDerivSpecs :: Bool 
393                -> [LTyClDecl Name] 
394                -> [LInstDecl Name]
395                -> [LDerivDecl Name] 
396                -> TcM [EarlyDerivSpec]
397
398 makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
399   | is_boot     -- No 'deriving' at all in hs-boot files
400   = do  { mapM_ add_deriv_err deriv_locs 
401         ; return [] }
402   | otherwise
403   = do  { eqns1 <- mapAndRecoverM deriveTyData all_tydata
404         ; eqns2 <- mapAndRecoverM deriveStandalone deriv_decls
405         ; return (eqns1 ++ eqns2) }
406   where
407     extractTyDataPreds decls
408       = [(p, d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- decls, p <- preds]
409
410     all_tydata :: [(LHsType Name, LTyClDecl Name)]
411         -- Derived predicate paired with its data type declaration
412     all_tydata = extractTyDataPreds tycl_decls ++
413                  [ pd                -- Traverse assoc data families
414                  | L _ (InstDecl _ _ _ ats) <- inst_decls
415                  , pd <- extractTyDataPreds ats ]
416
417     deriv_locs = map (getLoc . snd) all_tydata
418                  ++ map getLoc deriv_decls
419
420     add_deriv_err loc = setSrcSpan loc $
421                         addErr (hang (ptext (sLit "Deriving not permitted in hs-boot file"))
422                                    2 (ptext (sLit "Use an instance declaration instead")))
423
424 ------------------------------------------------------------------
425 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM EarlyDerivSpec
426 -- Standalone deriving declarations
427 --  e.g.   deriving instance Show a => Show (T a)
428 -- Rather like tcLocalInstDecl
429 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
430   = setSrcSpan loc                   $
431     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
432     do { traceTc (text "standalone deriving decl for" <+> ppr deriv_ty)
433        ; (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
434        ; traceTc (text "standalone deriving;"
435               <+> text "tvs:" <+> ppr tvs
436               <+> text "theta:" <+> ppr theta
437               <+> text "tau:" <+> ppr tau)
438        ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstHead tau
439        ; checkValidInstance tvs theta cls inst_tys
440                 -- C.f. TcInstDcls.tcLocalInstDecl1
441
442        ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
443              inst_ty = last inst_tys
444        ; traceTc (text "standalone deriving;"
445               <+> text "class:" <+> ppr cls
446               <+> text "class types:" <+> ppr cls_tys
447               <+> text "type:" <+> ppr inst_ty)
448        ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty
449                    (Just theta) }
450
451 ------------------------------------------------------------------
452 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM EarlyDerivSpec
453 deriveTyData (L loc deriv_pred, L _ decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
454                                                    tcdTyVars = tv_names, 
455                                                    tcdTyPats = ty_pats }))
456   = setSrcSpan loc     $        -- Use the location of the 'deriving' item
457     tcAddDeclCtxt decl $
458     do  { (tvs, tc, tc_args) <- get_lhs ty_pats
459         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
460                                         -- the type variables for the type constructor
461
462     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
463                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
464                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
465
466         -- Given data T a b c = ... deriving( C d ),
467         -- we want to drop type variables from T so that (C d (T a)) is well-kinded
468         ; let cls_tyvars = classTyVars cls
469               kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
470               (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
471               n_args_to_drop = length arg_kinds 
472               n_args_to_keep = tyConArity tc - n_args_to_drop
473               args_to_drop   = drop n_args_to_keep tc_args
474               inst_ty        = mkTyConApp tc (take n_args_to_keep tc_args)
475               inst_ty_kind   = typeKind inst_ty
476               dropped_tvs    = mkVarSet (mapCatMaybes getTyVar_maybe args_to_drop)
477               univ_tvs       = (mkVarSet tvs `extendVarSetList` deriv_tvs)
478                                         `minusVarSet` dropped_tvs
479  
480         -- Check that the result really is well-kinded
481         ; checkTc (n_args_to_keep >= 0 && (inst_ty_kind `eqKind` kind))
482                   (derivingKindErr tc cls cls_tys kind)
483
484         ; checkTc (sizeVarSet dropped_tvs == n_args_to_drop &&           -- (a)
485                    tyVarsOfTypes (inst_ty:cls_tys) `subVarSet` univ_tvs) -- (b)
486                   (derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty)
487                 -- Check that 
488                 --  (a) The data type can be eta-reduced; eg reject:
489                 --              data instance T a a = ... deriving( Monad )
490                 --  (b) The type class args do not mention any of the dropped type
491                 --      variables 
492                 --              newtype T a s = ... deriving( ST s )
493
494         -- Type families can't be partially applied
495         -- e.g.   newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Monad )
496         -- Note [Deriving, type families, and partial applications]
497         ; checkTc (not (isOpenTyCon tc) || n_args_to_drop == 0)
498                   (typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty)
499
500         ; mkEqnHelp DerivOrigin (varSetElems univ_tvs) cls cls_tys inst_ty Nothing } }
501   where
502         -- Tiresomely we must figure out the "lhs", which is awkward for type families
503         -- E.g.   data T a b = .. deriving( Eq )
504         --          Here, the lhs is (T a b)
505         --        data instance TF Int b = ... deriving( Eq )
506         --          Here, the lhs is (TF Int b)
507         -- But if we just look up the tycon_name, we get is the *family*
508         -- tycon, but not pattern types -- they are in the *rep* tycon.
509     get_lhs Nothing     = do { tc <- tcLookupTyCon tycon_name
510                              ; let tvs = tyConTyVars tc
511                              ; return (tvs, tc, mkTyVarTys tvs) }
512     get_lhs (Just pats) = do { let hs_app = nlHsTyConApp tycon_name pats
513                              ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
514                              ; let (tc, tc_args) = tcSplitTyConApp tc_app
515                              ; return (tvs, tc, tc_args) }
516
517 deriveTyData _other
518   = panic "derivTyData" -- Caller ensures that only TyData can happen
519 \end{code}
520
521 Note [Deriving, type families, and partial applications]
522 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
523 When there are no type families, it's quite easy:
524
525     newtype S a = MkS [a]
526     -- :CoS :: S  ~ []  -- Eta-reduced
527
528     instance Eq [a] => Eq (S a)         -- by coercion sym (Eq (coMkS a)) : Eq [a] ~ Eq (S a)
529     instance Monad [] => Monad S        -- by coercion sym (Monad coMkS)  : Monad [] ~ Monad S 
530
531 When type familes are involved it's trickier:
532
533     data family T a b
534     newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Eq, Monad )
535     -- :RT is the representation type for (T Int a)
536     --  :CoF:R1T a :: T Int a ~ :RT a   -- Not eta reduced
537     --  :Co:R1T    :: :RT ~ []          -- Eta-reduced
538
539     instance Eq [a] => Eq (T Int a)     -- easy by coercion
540     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
541
542 The "???" bit is that we don't build the :CoF thing in eta-reduced form
543 Henc the current typeFamilyPapErr, even though the instance makes sense.
544 After all, we can write it out
545     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
546       return x = MkT [x]
547       ... etc ...       
548
549 \begin{code}
550 mkEqnHelp :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class -> [Type] -> Type
551           -> Maybe ThetaType    -- Just    => context supplied (standalone deriving)
552                                 -- Nothing => context inferred (deriving on data decl)
553           -> TcRn EarlyDerivSpec
554 -- Make the EarlyDerivSpec for an instance
555 --      forall tvs. theta => cls (tys ++ [ty])
556 -- where the 'theta' is optional (that's the Maybe part)
557 -- Assumes that this declaration is well-kinded
558
559 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app mtheta
560   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
561   , isAlgTyCon tycon    -- Check for functions, primitive types etc
562   = do  { (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupFamInstExact tycon tc_args
563                   -- Be careful to test rep_tc here: in the case of families, 
564                   -- we want to check the instance tycon, not the family tycon
565
566         -- For standalone deriving (mtheta /= Nothing), 
567         -- check that all the data constructors are in scope.
568         -- No need for this when deriving Typeable, becuase we don't need
569         -- the constructors for that.
570         ; rdr_env <- getGlobalRdrEnv
571         ; let hidden_data_cons = isAbstractTyCon rep_tc || any not_in_scope (tyConDataCons rep_tc)
572               not_in_scope dc  = null (lookupGRE_Name rdr_env (dataConName dc))
573         ; checkTc (isNothing mtheta || 
574                    not hidden_data_cons ||
575                    className cls `elem` typeableClassNames) 
576                   (derivingHiddenErr tycon)
577
578         ; dflags <- getDOpts
579         ; if isDataTyCon rep_tc then
580                 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
581                               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
582           else
583                 mkNewTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys 
584                              tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta }
585   | otherwise
586   = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys tc_app
587                (ptext (sLit "The last argument of the instance must be a data or newtype application")))
588 \end{code}
589
590 Note [Looking up family instances for deriving]
591 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
592 tcLookupFamInstExact is an auxiliary lookup wrapper which requires
593 that looked-up family instances exist.  If called with a vanilla
594 tycon, the old type application is simply returned.
595
596 If we have
597   data instance F () = ... deriving Eq
598   data instance F () = ... deriving Eq
599 then tcLookupFamInstExact will be confused by the two matches;
600 but that can't happen because tcInstDecls1 doesn't call tcDeriving
601 if there are any overlaps.
602
603 There are two other things that might go wrong with the lookup.
604 First, we might see a standalone deriving clause
605         deriving Eq (F ())
606 when there is no data instance F () in scope. 
607
608 Note that it's OK to have
609   data instance F [a] = ...
610   deriving Eq (F [(a,b)])
611 where the match is not exact; the same holds for ordinary data types
612 with standalone deriving declrations.
613
614 \begin{code}
615 tcLookupFamInstExact :: TyCon -> [Type] -> TcM (TyCon, [Type])
616 tcLookupFamInstExact tycon tys
617   | not (isOpenTyCon tycon)
618   = return (tycon, tys)
619   | otherwise
620   = do { maybeFamInst <- tcLookupFamInst tycon tys
621        ; case maybeFamInst of
622            Nothing      -> famInstNotFound tycon tys
623            Just famInst -> return famInst
624        }
625
626 famInstNotFound :: TyCon -> [Type] -> TcM a
627 famInstNotFound tycon tys 
628   = failWithTc (ptext (sLit "No family instance for")
629                         <+> quotes (pprTypeApp tycon tys))
630 \end{code}
631
632
633 %************************************************************************
634 %*                                                                      *
635                 Deriving data types
636 %*                                                                      *
637 %************************************************************************
638
639 \begin{code}
640 mkDataTypeEqn :: InstOrigin
641               -> DynFlags
642               -> [Var]                  -- Universally quantified type variables in the instance
643               -> Class                  -- Class for which we need to derive an instance
644               -> [Type]                 -- Other parameters to the class except the last
645               -> TyCon                  -- Type constructor for which the instance is requested (last parameter to the type class)
646               -> [Type]                 -- Parameters to the type constructor
647               -> TyCon                  -- rep of the above (for type families)
648               -> [Type]                 -- rep of the above
649               -> Maybe ThetaType        -- Context of the instance, for standalone deriving
650               -> TcRn EarlyDerivSpec    -- Return 'Nothing' if error
651
652 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
653               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
654   = case checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc of
655         -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
656         CanDerive -> mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
657         NonDerivableClass       -> bale_out (nonStdErr cls)
658         DerivableClassError msg -> bale_out msg
659   where
660     bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) msg)
661
662 mk_data_eqn, mk_typeable_eqn
663    :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class 
664    -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> Maybe ThetaType
665    -> TcM EarlyDerivSpec
666 mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
667   | getName cls `elem` typeableClassNames
668   = mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
669
670   | otherwise
671   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
672         ; loc <- getSrcSpanM
673         ; let inst_tys = [mkTyConApp tycon tc_args]
674               inferred_constraints = inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
675               spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
676                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = tvs 
677                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
678                         , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
679                         , ds_theta =  mtheta `orElse` inferred_constraints
680                         , ds_newtype = False }
681
682         ; return (if isJust mtheta then Right spec      -- Specified context
683                                    else Left spec) }    -- Infer context
684
685 mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
686         -- The Typeable class is special in several ways
687         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
688         -- gives
689         --        instance Typeable2 T where ...
690         -- Notice that:
691         -- 1. There are no constraints in the instance
692         -- 2. There are no type variables either
693         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
694         --      Typeable; it depends on the arity of the type
695   | isNothing mtheta    -- deriving on a data type decl
696   = do  { checkTc (cls `hasKey` typeableClassKey)
697                   (ptext (sLit "Use deriving( Typeable ) on a data type declaration"))
698         ; real_cls <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
699         ; mk_typeable_eqn orig tvs real_cls tycon [] rep_tc [] (Just []) }
700
701   | otherwise           -- standaone deriving
702   = do  { checkTc (null tc_args)
703                   (ptext (sLit "Derived typeable instance must be of form (Typeable") 
704                         <> int (tyConArity tycon) <+> ppr tycon <> rparen)
705         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
706         ; loc <- getSrcSpanM
707         ; return (Right $
708                   DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_name = dfun_name, ds_tvs = []
709                      , ds_cls = cls, ds_tys = [mkTyConApp tycon []]
710                      , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
711                      , ds_theta = mtheta `orElse` [], ds_newtype = False })  }
712
713
714 inferConstraints :: [TyVar] -> Class -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> ThetaType
715 -- Generate a sufficiently large set of constraints that typechecking the
716 -- generated method definitions should succeed.   This set will be simplified
717 -- before being used in the instance declaration
718 inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
719   = ASSERT2( equalLength rep_tc_tvs all_rep_tc_args, ppr cls <+> ppr rep_tc )
720     stupid_constraints ++ extra_constraints
721     ++ sc_constraints ++ con_arg_constraints
722   where
723        -- Constraints arising from the arguments of each constructor
724     con_arg_constraints
725       = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
726         | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
727           arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
728                         get_constrained_tys $
729                         dataConInstOrigArgTys data_con all_rep_tc_args,
730           not (isUnLiftedType arg_ty) ]
731                 -- No constraints for unlifted types
732                 -- Where they are legal we generate specilised function calls
733
734                 -- For functor-like classes, two things are different
735                 -- (a) We recurse over argument types to generate constraints
736                 --     See Functor examples in TcGenDeriv
737                 -- (b) The rep_tc_args will be one short
738     is_functor_like = getUnique cls `elem` functorLikeClassKeys
739
740     get_constrained_tys :: [Type] -> [Type]
741     get_constrained_tys tys 
742         | is_functor_like = concatMap (deepSubtypesContaining last_tv) tys
743         | otherwise       = tys
744
745     rep_tc_tvs = tyConTyVars rep_tc
746     last_tv = last rep_tc_tvs
747     all_rep_tc_args | is_functor_like = rep_tc_args ++ [mkTyVarTy last_tv]
748                     | otherwise       = rep_tc_args
749
750         -- Constraints arising from superclasses
751         -- See Note [Superclasses of derived instance]
752     sc_constraints = substTheta (zipOpenTvSubst (classTyVars cls) inst_tys)
753                                 (classSCTheta cls)
754
755         -- Stupid constraints
756     stupid_constraints = substTheta subst (tyConStupidTheta rep_tc)
757     subst = zipTopTvSubst rep_tc_tvs all_rep_tc_args
758               
759         -- Extra constraints
760         -- The Data class (only) requires that for 
761         --    instance (...) => Data (T a b) 
762         -- then (Data a, Data b) are among the (...) constraints
763         -- Reason: that's what you need to typecheck the method
764         --             dataCast1 f = gcast1 f
765     extra_constraints 
766       | cls `hasKey` dataClassKey = [mkClassPred cls [mkTyVarTy tv] | tv <- tvs]
767       | otherwise                 = []
768
769 ------------------------------------------------------------------
770 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
771 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
772 --
773 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
774 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
775 -- family tycon (with indexes) in error messages.
776
777 data DerivStatus = CanDerive
778                  | DerivableClassError SDoc     -- Standard class, but can't do it
779                  | NonDerivableClass            -- Non-standard class
780
781 checkSideConditions :: DynFlags -> Class -> [TcType] -> TyCon -> DerivStatus
782 checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc
783   | Just cond <- sideConditions cls
784   = case (cond (dflags, rep_tc)) of
785         Just err -> DerivableClassError err     -- Class-specific error
786         Nothing  | null cls_tys -> CanDerive
787                  | otherwise    -> DerivableClassError ty_args_why      -- e.g. deriving( Eq s )
788   | otherwise = NonDerivableClass       -- Not a standard class
789   where
790     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "is not a class")
791
792 nonStdErr :: Class -> SDoc
793 nonStdErr cls = quotes (ppr cls) <+> ptext (sLit "is not a derivable class")
794
795 sideConditions :: Class -> Maybe Condition
796 sideConditions cls
797   | cls_key == eqClassKey          = Just cond_std
798   | cls_key == ordClassKey         = Just cond_std
799   | cls_key == showClassKey        = Just cond_std
800   | cls_key == readClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
801   | cls_key == enumClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_isEnumeration)
802   | cls_key == ixClassKey          = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
803   | cls_key == boundedClassKey     = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
804   | cls_key == dataClassKey        = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` 
805                                            cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
806   | cls_key == functorClassKey     = Just (checkFlag Opt_DeriveFunctor `andCond`
807                                            cond_functorOK True)  -- NB: no cond_std!
808   | cls_key == foldableClassKey    = Just (checkFlag Opt_DeriveFoldable `andCond`
809                                            cond_functorOK False) -- Functor/Fold/Trav works ok for rank-n types
810   | cls_key == traversableClassKey = Just (checkFlag Opt_DeriveTraversable `andCond`
811                                            cond_functorOK False)
812   | getName cls `elem` typeableClassNames = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` cond_typeableOK)
813   | otherwise = Nothing
814   where
815     cls_key = getUnique cls
816
817 type Condition = (DynFlags, TyCon) -> Maybe SDoc
818         -- first Bool is whether or not we are allowed to derive Data and Typeable
819         -- second Bool is whether or not we are allowed to derive Functor
820         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
821         --      data type is an indexed one
822         -- Nothing => OK
823
824 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
825 orCond c1 c2 tc 
826   = case c1 tc of
827         Nothing -> Nothing              -- c1 succeeds
828         Just x  -> case c2 tc of        -- c1 fails
829                      Nothing -> Nothing
830                      Just y  -> Just (x $$ ptext (sLit "  and") $$ y)
831                                         -- Both fail
832
833 andCond :: Condition -> Condition -> Condition
834 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
835                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
836                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
837
838 cond_std :: Condition
839 cond_std (_, rep_tc)
840   | null data_cons      = Just no_cons_why
841   | not (null con_whys) = Just (vcat con_whys)
842   | otherwise           = Nothing
843   where
844     data_cons       = tyConDataCons rep_tc
845     no_cons_why     = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
846                       ptext (sLit "has no data constructors")
847
848     con_whys = mapCatMaybes check_con data_cons
849
850     check_con :: DataCon -> Maybe SDoc
851     check_con con 
852       | isVanillaDataCon con
853       , all isTauTy (dataConOrigArgTys con) = Nothing
854       | otherwise = Just (badCon con (ptext (sLit "does not have a Haskell-98 type")))
855   
856 cond_enumOrProduct :: Condition
857 cond_enumOrProduct = cond_isEnumeration `orCond` 
858                        (cond_isProduct `andCond` cond_noUnliftedArgs)
859
860 cond_noUnliftedArgs :: Condition
861 -- For some classes (eg Eq, Ord) we allow unlifted arg types
862 -- by generating specilaised code.  For others (eg Data) we don't.
863 cond_noUnliftedArgs (_, tc)
864   | null bad_cons = Nothing
865   | otherwise     = Just why
866   where
867     bad_cons = [ con | con <- tyConDataCons tc
868                      , any isUnLiftedType (dataConOrigArgTys con) ]
869     why = badCon (head bad_cons) (ptext (sLit "has arguments of unlifted type"))
870
871 cond_isEnumeration :: Condition
872 cond_isEnumeration (_, rep_tc)
873   | isEnumerationTyCon rep_tc = Nothing
874   | otherwise                 = Just why
875   where
876     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
877           ptext (sLit "has non-nullary constructors")
878
879 cond_isProduct :: Condition
880 cond_isProduct (_, rep_tc)
881   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
882   | otherwise             = Just why
883   where
884     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
885           ptext (sLit "has more than one constructor")
886
887 cond_typeableOK :: Condition
888 -- OK for Typeable class
889 -- Currently: (a) args all of kind *
890 --            (b) 7 or fewer args
891 cond_typeableOK (_, rep_tc)
892   | tyConArity rep_tc > 7       = Just too_many
893   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars rep_tc)) 
894                                 = Just bad_kind
895   | isFamInstTyCon rep_tc       = Just fam_inst  -- no Typable for family insts
896   | otherwise                   = Nothing
897   where
898     too_many = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
899                ptext (sLit "has too many arguments")
900     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
901                ptext (sLit "has arguments of kind other than `*'")
902     fam_inst = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
903                ptext (sLit "is a type family")
904
905
906 functorLikeClassKeys :: [Unique]
907 functorLikeClassKeys = [functorClassKey, foldableClassKey, traversableClassKey]
908
909 cond_functorOK :: Bool -> Condition
910 -- OK for Functor class
911 -- Currently: (a) at least one argument
912 --            (b) don't use argument contravariantly
913 --            (c) don't use argument in the wrong place, e.g. data T a = T (X a a)
914 --            (d) optionally: don't use function types
915 cond_functorOK allowFunctions (dflags, rep_tc) 
916   | not (dopt Opt_DeriveFunctor dflags)
917   = Just (ptext (sLit "You need -XDeriveFunctor to derive an instance for this class"))
918   | otherwise
919   = msum (map check_con data_cons)      -- msum picks the first 'Just', if any
920   where
921     data_cons = tyConDataCons rep_tc
922     check_con con = msum (check_vanilla con : foldDataConArgs (ft_check con) con)
923
924     check_vanilla :: DataCon -> Maybe SDoc
925     check_vanilla con | isVanillaDataCon con = Nothing
926                       | otherwise            = Just (badCon con existential)
927
928     ft_check :: DataCon -> FFoldType (Maybe SDoc)
929     ft_check con = FT { ft_triv = Nothing, ft_var = Nothing
930                       , ft_co_var = Just (badCon con covariant)
931                       , ft_fun = \x y -> if allowFunctions then x `mplus` y 
932                                                            else Just (badCon con functions)
933                       , ft_tup = \_ xs  -> msum xs
934                       , ft_ty_app = \_ x   -> x
935                       , ft_bad_app = Just (badCon con wrong_arg)
936                       , ft_forall = \_ x   -> x }
937                     
938     existential = ptext (sLit "has existential arguments")
939     covariant   = ptext (sLit "uses the type variable in a function argument")
940     functions   = ptext (sLit "contains function types")
941     wrong_arg   = ptext (sLit "uses the type variable in an argument other than the last")
942
943 checkFlag :: DynFlag -> Condition
944 checkFlag flag (dflags, _)
945   | dopt flag dflags = Nothing
946   | otherwise        = Just why
947   where
948     why = ptext (sLit "You need -X") <> text flag_str 
949           <+> ptext (sLit "to derive an instance for this class")
950     flag_str = case [ s | (s, f, _) <- xFlags, f==flag ] of
951                  [s]   -> s
952                  other -> pprPanic "checkFlag" (ppr other)
953
954 std_class_via_iso :: Class -> Bool
955 std_class_via_iso clas  -- These standard classes can be derived for a newtype
956                         -- using the isomorphism trick *even if no -fglasgow-exts*
957   = classKey clas `elem` [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
958         -- Not Read/Show because they respect the type
959         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
960
961
962 new_dfun_name :: Class -> TyCon -> TcM Name
963 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
964   = do { loc <- getSrcSpanM     -- The location of the instance decl, not of the tycon
965         ; newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] loc }
966         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
967         -- a suitable string; hence the empty type arg list
968
969 badCon :: DataCon -> SDoc -> SDoc
970 badCon con msg = ptext (sLit "Constructor") <+> quotes (ppr con) <+> msg
971 \end{code}
972
973 Note [Superclasses of derived instance] 
974 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
975 In general, a derived instance decl needs the superclasses of the derived
976 class too.  So if we have
977         data T a = ...deriving( Ord )
978 then the initial context for Ord (T a) should include Eq (T a).  Often this is 
979 redundant; we'll also generate an Ord constraint for each constructor argument,
980 and that will probably generate enough constraints to make the Eq (T a) constraint 
981 be satisfied too.  But not always; consider:
982
983  data S a = S
984  instance Eq (S a)
985  instance Ord (S a)
986
987  data T a = MkT (S a) deriving( Ord )
988  instance Num a => Eq (T a)
989
990 The derived instance for (Ord (T a)) must have a (Num a) constraint!
991 Similarly consider:
992         data T a = MkT deriving( Data, Typeable )
993 Here there *is* no argument field, but we must nevertheless generate
994 a context for the Data instances:
995         instance Typable a => Data (T a) where ...
996
997
998 %************************************************************************
999 %*                                                                      *
1000                 Deriving newtypes
1001 %*                                                                      *
1002 %************************************************************************
1003
1004 \begin{code}
1005 mkNewTypeEqn :: InstOrigin -> DynFlags -> [Var] -> Class
1006              -> [Type] -> TyCon -> [Type] -> TyCon -> [Type]
1007              -> Maybe ThetaType
1008              -> TcRn EarlyDerivSpec
1009 mkNewTypeEqn orig dflags tvs
1010              cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1011 -- Want: instance (...) => cls (cls_tys ++ [tycon tc_args]) where ...
1012   | can_derive_via_isomorphism && (newtype_deriving || std_class_via_iso cls)
1013   = do  { traceTc (text "newtype deriving:" <+> ppr tycon <+> ppr rep_tys)
1014         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
1015         ; loc <- getSrcSpanM
1016         ; let spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
1017                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = varSetElems dfun_tvs 
1018                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
1019                         , ds_tc = rep_tycon, ds_tc_args = rep_tc_args
1020                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_preds
1021                         , ds_newtype = True }
1022         ; return (if isJust mtheta then Right spec
1023                                    else Left spec) }
1024
1025   | otherwise
1026   = case check_conditions of
1027       CanDerive -> mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1028                                 -- Use the standard H98 method
1029       DerivableClassError msg -> bale_out msg              -- Error with standard class
1030       NonDerivableClass         -- Must use newtype deriving
1031         | newtype_deriving    -> bale_out cant_derive_err  -- Too hard, even with newtype deriving
1032         | otherwise           -> bale_out non_std_err      -- Try newtype deriving!
1033   where
1034         newtype_deriving = dopt Opt_GeneralizedNewtypeDeriving dflags
1035         check_conditions = checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tycon
1036         bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys inst_ty msg)
1037
1038         non_std_err = nonStdErr cls $$
1039                       ptext (sLit "Try -XGeneralizedNewtypeDeriving for GHC's newtype-deriving extension")
1040
1041         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
1042         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
1043         -- where t is a type,
1044         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
1045         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
1046         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
1047         --                      with the last parameter missing
1048         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
1049         --              (and hence so does t)
1050         -- The latter kind-check has been done by deriveTyData already,
1051         -- and tc_args are already trimmed
1052         --
1053         -- We generate the instance
1054         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
1055         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
1056         -- where T a1...ap is the partial application of 
1057         --       the LHS of the correct kind and p >= k
1058         --
1059         --      NB: the variables below are:
1060         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
1061         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
1062         --              rep_ty = t ak .. an
1063         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
1064         --              tys = [s1, ..., sm]
1065         --              rep_fn' = t
1066         --
1067         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
1068         -- We generate the instance
1069         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
1070
1071         nt_eta_arity = length (fst (newTyConEtadRhs rep_tycon))
1072                 -- For newtype T a b = MkT (S a a b), the TyCon machinery already
1073                 -- eta-reduces the representation type, so we know that
1074                 --      T a ~ S a a
1075                 -- That's convenient here, because we may have to apply
1076                 -- it to fewer than its original complement of arguments
1077
1078         -- Note [Newtype representation]
1079         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1080         -- Need newTyConRhs (*not* a recursive representation finder) 
1081         -- to get the representation type. For example
1082         --      newtype B = MkB Int
1083         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
1084         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
1085         -- when making the Num instance of A!
1086         rep_inst_ty = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
1087         rep_tys     = cls_tys ++ [rep_inst_ty]
1088         rep_pred    = mkClassPred cls rep_tys
1089                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
1090                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
1091                 -- dictionary 
1092
1093
1094     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
1095     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
1096
1097         cls_tyvars = classTyVars cls
1098         dfun_tvs = tyVarsOfTypes inst_tys
1099         inst_ty = mkTyConApp tycon tc_args
1100         inst_tys = cls_tys ++ [inst_ty]
1101         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
1102                               (classSCTheta cls)
1103
1104                 -- If there are no tyvars, there's no need
1105                 -- to abstract over the dictionaries we need
1106                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
1107                 -- We get the derived instance
1108                 --              instance C T
1109                 -- rather than
1110                 --              instance C Int => C T
1111         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
1112
1113         -------------------------------------------------------------------
1114         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
1115
1116         can_derive_via_isomorphism
1117            =  not (non_iso_class cls)
1118            && arity_ok
1119            && eta_ok
1120            && ats_ok
1121 --         && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Note [Recursive newtypes]
1122
1123                 -- Never derive Read,Show,Typeable,Data by isomorphism
1124         non_iso_class cls = className cls `elem` ([readClassName, showClassName, dataClassName] ++
1125                                                   typeableClassNames)
1126
1127         arity_ok = length cls_tys + 1 == classArity cls
1128                 -- Well kinded; eg not: newtype T ... deriving( ST )
1129                 --                      because ST needs *2* type params
1130
1131         -- Check that eta reduction is OK
1132         eta_ok = nt_eta_arity <= length rep_tc_args
1133                 -- The newtype can be eta-reduced to match the number
1134                 --     of type argument actually supplied
1135                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
1136                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
1137                 --     And the [a] must not mention 'b'.  That's all handled
1138                 --     by nt_eta_rity.
1139
1140         ats_ok = null (classATs cls)    
1141                -- No associated types for the class, because we don't 
1142                -- currently generate type 'instance' decls; and cannot do
1143                -- so for 'data' instance decls
1144                                          
1145         cant_derive_err
1146            = vcat [ ptext (sLit "even with cunning newtype deriving:")
1147                   , if arity_ok then empty else arity_msg
1148                   , if eta_ok then empty else eta_msg
1149                   , if ats_ok then empty else ats_msg ]
1150         arity_msg = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "does not have arity 1")
1151         eta_msg   = ptext (sLit "cannot eta-reduce the representation type enough")
1152         ats_msg   = ptext (sLit "the class has associated types")
1153 \end{code}
1154
1155 Note [Recursive newtypes]
1156 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1157 Newtype deriving works fine, even if the newtype is recursive.
1158 e.g.    newtype S1 = S1 [T1 ()]
1159         newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
1160 Remember, too, that type families are curretly (conservatively) given
1161 a recursive flag, so this also allows newtype deriving to work
1162 for type famillies.
1163
1164 We used to exclude recursive types, because we had a rather simple
1165 minded way of generating the instance decl:
1166    newtype A = MkA [A]
1167    instance Eq [A] => Eq A      -- Makes typechecker loop!
1168 But now we require a simple context, so it's ok.
1169
1170
1171 %************************************************************************
1172 %*                                                                      *
1173 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
1174 %*                                                                      *
1175 %************************************************************************
1176
1177 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
1178 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
1179 equation.
1180 \begin{itemize}
1181 \item
1182 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
1183 variable, tv.
1184
1185 \item
1186 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
1187 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
1188 (minor key)
1189 \end{itemize}
1190
1191 \begin{code}
1192 inferInstanceContexts :: OverlapFlag -> [DerivSpec] -> TcM [DerivSpec]
1193
1194 inferInstanceContexts _ [] = return []
1195
1196 inferInstanceContexts oflag infer_specs
1197   = do  { traceTc (text "inferInstanceContexts" <+> vcat (map pprDerivSpec infer_specs))
1198         ; iterate_deriv 1 initial_solutions }
1199   where
1200     ------------------------------------------------------------------
1201         -- The initial solutions for the equations claim that each
1202         -- instance has an empty context; this solution is certainly
1203         -- in canonical form.
1204     initial_solutions :: [ThetaType]
1205     initial_solutions = [ [] | _ <- infer_specs ]
1206
1207     ------------------------------------------------------------------
1208         -- iterate_deriv calculates the next batch of solutions,
1209         -- compares it with the current one; finishes if they are the
1210         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
1211         -- It fails if any iteration fails
1212     iterate_deriv :: Int -> [ThetaType] -> TcM [DerivSpec]
1213     iterate_deriv n current_solns
1214       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
1215                 -- This can happen if we have -XUndecidableInstances
1216                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
1217       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
1218                  (vcat (map pprDerivSpec infer_specs) $$ ppr current_solns)
1219       | otherwise
1220       = do {      -- Extend the inst info from the explicit instance decls
1221                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
1222              let inst_specs = zipWithEqual "add_solns" (mkInstance oflag)
1223                                            current_solns infer_specs
1224            ; new_solns <- checkNoErrs $
1225                           extendLocalInstEnv inst_specs $
1226                           mapM gen_soln infer_specs
1227
1228            ; if (current_solns == new_solns) then
1229                 return [ spec { ds_theta = soln } 
1230                        | (spec, soln) <- zip infer_specs current_solns ]
1231              else
1232                 iterate_deriv (n+1) new_solns }
1233
1234     ------------------------------------------------------------------
1235     gen_soln :: DerivSpec  -> TcM [PredType]
1236     gen_soln (DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_tvs = tyvars 
1237                  , ds_cls = clas, ds_tys = inst_tys, ds_theta = deriv_rhs })
1238       = setSrcSpan loc  $
1239         addErrCtxt (derivInstCtxt clas inst_tys) $ 
1240         do { theta <- tcSimplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
1241                 -- checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1242                 -- Not necessary; see Note [Exotic derived instance contexts]
1243                 --                in TcSimplify
1244
1245                   -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1246                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1247                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1248                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1249                   -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
1250            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
1251                  weird_preds = [pred | pred <- theta, not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
1252            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
1253
1254                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
1255                 -- Hence no need to call:
1256                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1257            ; return (sortLe (<=) theta) }       -- Canonicalise before returning the solution
1258
1259 ------------------------------------------------------------------
1260 mkInstance :: OverlapFlag -> ThetaType -> DerivSpec -> Instance
1261 mkInstance overlap_flag theta
1262             (DS { ds_name = dfun_name
1263                 , ds_tvs = tyvars, ds_cls = clas, ds_tys = tys })
1264   = mkLocalInstance dfun overlap_flag
1265   where
1266     dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas tys
1267
1268
1269 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
1270 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
1271 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
1272 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
1273  = do { env <- getGblEnv
1274       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
1275              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
1276       ; setGblEnv env' thing_inside }
1277 \end{code}
1278
1279
1280 %************************************************************************
1281 %*                                                                      *
1282 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
1283 %*                                                                      *
1284 %************************************************************************
1285
1286 After all the trouble to figure out the required context for the
1287 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
1288 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
1289 will do all its usual business.
1290
1291 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
1292 various general remarks.
1293
1294 PRINCIPLES:
1295 \begin{itemize}
1296 \item
1297 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
1298 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
1299
1300 \item
1301 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
1302
1303 \item
1304 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
1305 \end{itemize}
1306
1307 PRAGMATICS:
1308
1309 \begin{itemize}
1310 \item
1311 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
1312
1313 \item
1314 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
1315
1316 \item
1317 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
1318 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
1319
1320 \item
1321 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
1322 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
1323 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
1324 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
1325
1326 The examples under the different sections below will make this
1327 clearer.
1328
1329 \item
1330 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
1331 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
1332
1333 \item
1334 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
1335 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
1336 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
1337 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
1338 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
1339 the renamer.  What a great hack!
1340 \end{itemize}
1341
1342 \begin{code}
1343 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
1344 --   *representation* tycon for that instance,
1345 -- plus any auxiliary bindings required
1346 --
1347 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
1348 -- case of instances for indexed families.
1349 --
1350 genInst :: OverlapFlag -> DerivSpec -> TcM (InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)
1351 genInst oflag spec
1352   | ds_newtype spec
1353   = return (InstInfo { iSpec  = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1354                      , iBinds = NewTypeDerived co }, [])
1355
1356   | otherwise
1357   = do  { let loc        = getSrcSpan (ds_name spec)
1358               inst       = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1359               clas       = ds_cls spec
1360
1361           -- In case of a family instance, we need to use the representation
1362           -- tycon (after all, it has the data constructors)
1363         ; fix_env <- getFixityEnv
1364         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds loc fix_env clas rep_tycon
1365
1366         -- Build the InstInfo
1367         ; return (InstInfo { iSpec = inst, 
1368                              iBinds = VanillaInst meth_binds [] },
1369                   aux_binds)
1370         }
1371   where
1372     rep_tycon   = ds_tc spec
1373     rep_tc_args = ds_tc_args spec
1374     co1 = case tyConFamilyCoercion_maybe rep_tycon of
1375               Nothing     -> IdCo
1376               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1377     co2 = case newTyConCo_maybe rep_tycon of
1378               Nothing     -> IdCo       -- The newtype is transparent; no need for a cast
1379               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1380     co = co1 `mkTransCoI` co2
1381
1382 -- Example: newtype instance N [a] = N1 (Tree a) 
1383 --          deriving instance Eq b => Eq (N [(b,b)])
1384 -- From the instance, we get an implicit newtype R1:N a = N1 (Tree a)
1385 -- When dealing with the deriving clause
1386 --    co1 : N [(b,b)] ~ R1:N (b,b)
1387 --    co2 : R1:N (b,b) ~ Tree (b,b)
1388
1389 genDerivBinds :: SrcSpan -> FixityEnv -> Class -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds)
1390 genDerivBinds loc fix_env clas tycon
1391   | className clas `elem` typeableClassNames
1392   = (gen_Typeable_binds loc tycon, [])
1393
1394   | otherwise
1395   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
1396         Just gen_fn -> gen_fn loc tycon
1397         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
1398   where
1399     gen_list :: [(Unique, SrcSpan -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds))]
1400     gen_list = [(eqClassKey,       gen_Eq_binds)
1401                ,(ordClassKey,      gen_Ord_binds)
1402                ,(enumClassKey,     gen_Enum_binds)
1403                ,(boundedClassKey,  gen_Bounded_binds)
1404                ,(ixClassKey,       gen_Ix_binds)
1405                ,(showClassKey,     gen_Show_binds fix_env)
1406                ,(readClassKey,     gen_Read_binds fix_env)
1407                ,(dataClassKey,     gen_Data_binds)
1408                ,(functorClassKey,  gen_Functor_binds)
1409                ,(foldableClassKey, gen_Foldable_binds)
1410                ,(traversableClassKey, gen_Traversable_binds)
1411                ]
1412 \end{code}
1413
1414
1415 %************************************************************************
1416 %*                                                                      *
1417 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1418 %*                                                                      *
1419 %************************************************************************
1420
1421 \begin{code}
1422 derivingKindErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Kind -> Message
1423 derivingKindErr tc cls cls_tys cls_kind
1424   = hang (ptext (sLit "Cannot derive well-kinded instance of form")
1425                 <+> quotes (pprClassPred cls cls_tys <+> parens (ppr tc <+> ptext (sLit "..."))))
1426        2 (ptext (sLit "Class") <+> quotes (ppr cls)
1427             <+> ptext (sLit "expects an argument of kind") <+> quotes (pprKind cls_kind))
1428
1429 derivingEtaErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message
1430 derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty
1431   = sep [ptext (sLit "Cannot eta-reduce to an instance of form"),
1432          nest 2 (ptext (sLit "instance (...) =>")
1433                 <+> pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty]))]
1434
1435 typeFamilyPapErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Type -> Message
1436 typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty
1437   = hang (ptext (sLit "Derived instance") <+> quotes (pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty])))
1438        2 (ptext (sLit "requires illegal partial application of data type family") <+> ppr tc) 
1439
1440 derivingThingErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message -> Message
1441 derivingThingErr clas tys ty why
1442   = sep [hsep [ptext (sLit "Can't make a derived instance of"), 
1443                quotes (ppr pred)],
1444          nest 2 (parens why)]
1445   where
1446     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1447
1448 derivingHiddenErr :: TyCon -> SDoc
1449 derivingHiddenErr tc
1450   = hang (ptext (sLit "The data constructors of") <+> quotes (ppr tc) <+> ptext (sLit "are not all in scope"))
1451        2 (ptext (sLit "so you cannot derive an instance for it"))
1452
1453 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1454 standaloneCtxt ty = hang (ptext (sLit "In the stand-alone deriving instance for")) 
1455                        2 (quotes (ppr ty))
1456
1457 derivInstCtxt :: Class -> [Type] -> Message
1458 derivInstCtxt clas inst_tys
1459   = ptext (sLit "When deriving the instance for") <+> parens (pprClassPred clas inst_tys)
1460
1461 badDerivedPred :: PredType -> Message
1462 badDerivedPred pred
1463   = vcat [ptext (sLit "Can't derive instances where the instance context mentions"),
1464           ptext (sLit "type variables that are not data type parameters"),
1465           nest 2 (ptext (sLit "Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1466 \end{code}