Fix Trac #3391: make generic to/from bindings only for newly-declared types
[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 True overlap_flag) given_specs
292
293         ; final_specs <- extendLocalInstEnv (map (iSpec . fst) insts1) $
294                          inferInstanceContexts overlap_flag infer_specs
295
296         ; insts2 <- mapM (genInst False overlap_flag) final_specs
297
298                  -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
299         ; gen_binds <- mkGenericBinds is_boot tycl_decls
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 standalone_deriv })
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               ; let binds' = VanillaInst rn_binds [] standalone_deriv
363               ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds' }, fvs) }
364         where
365           (tyvars,_,clas,_) = instanceHead inst
366           clas_nm           = className clas
367
368 -----------------------------------------
369 mkGenericBinds :: Bool -> [LTyClDecl Name] -> TcM (LHsBinds RdrName)
370 mkGenericBinds is_boot tycl_decls
371   | is_boot 
372   = return emptyBag
373   | otherwise
374   = do  { tcs <- mapM tcLookupTyCon [ tcdName d 
375                                     | L _ d <- tycl_decls, isDataDecl d ]
376         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc
377                                 | tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
378                 -- We are only interested in the data type declarations,
379                 -- and then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
380                 -- The predicate tyConHasGenerics finds both of these
381 \end{code}
382
383
384 %************************************************************************
385 %*                                                                      *
386                 From HsSyn to DerivSpec
387 %*                                                                      *
388 %************************************************************************
389
390 @makeDerivSpecs@ fishes around to find the info about needed derived instances.
391
392 \begin{code}
393 makeDerivSpecs :: Bool 
394                -> [LTyClDecl Name] 
395                -> [LInstDecl Name]
396                -> [LDerivDecl Name] 
397                -> TcM [EarlyDerivSpec]
398
399 makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
400   | is_boot     -- No 'deriving' at all in hs-boot files
401   = do  { mapM_ add_deriv_err deriv_locs 
402         ; return [] }
403   | otherwise
404   = do  { eqns1 <- mapAndRecoverM deriveTyData all_tydata
405         ; eqns2 <- mapAndRecoverM deriveStandalone deriv_decls
406         ; return (eqns1 ++ eqns2) }
407   where
408     extractTyDataPreds decls
409       = [(p, d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- decls, p <- preds]
410
411     all_tydata :: [(LHsType Name, LTyClDecl Name)]
412         -- Derived predicate paired with its data type declaration
413     all_tydata = extractTyDataPreds tycl_decls ++
414                  [ pd                -- Traverse assoc data families
415                  | L _ (InstDecl _ _ _ ats) <- inst_decls
416                  , pd <- extractTyDataPreds ats ]
417
418     deriv_locs = map (getLoc . snd) all_tydata
419                  ++ map getLoc deriv_decls
420
421     add_deriv_err loc = setSrcSpan loc $
422                         addErr (hang (ptext (sLit "Deriving not permitted in hs-boot file"))
423                                    2 (ptext (sLit "Use an instance declaration instead")))
424
425 ------------------------------------------------------------------
426 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM EarlyDerivSpec
427 -- Standalone deriving declarations
428 --  e.g.   deriving instance Show a => Show (T a)
429 -- Rather like tcLocalInstDecl
430 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
431   = setSrcSpan loc                   $
432     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
433     do { traceTc (text "standalone deriving decl for" <+> ppr deriv_ty)
434        ; (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
435        ; traceTc (text "standalone deriving;"
436               <+> text "tvs:" <+> ppr tvs
437               <+> text "theta:" <+> ppr theta
438               <+> text "tau:" <+> ppr tau)
439        ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstHead tau
440        ; checkValidInstance tvs theta cls inst_tys
441                 -- C.f. TcInstDcls.tcLocalInstDecl1
442
443        ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
444              inst_ty = last inst_tys
445        ; traceTc (text "standalone deriving;"
446               <+> text "class:" <+> ppr cls
447               <+> text "class types:" <+> ppr cls_tys
448               <+> text "type:" <+> ppr inst_ty)
449        ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty
450                    (Just theta) }
451
452 ------------------------------------------------------------------
453 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM EarlyDerivSpec
454 deriveTyData (L loc deriv_pred, L _ decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
455                                                    tcdTyVars = tv_names, 
456                                                    tcdTyPats = ty_pats }))
457   = setSrcSpan loc     $        -- Use the location of the 'deriving' item
458     tcAddDeclCtxt decl $
459     do  { (tvs, tc, tc_args) <- get_lhs ty_pats
460         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
461                                         -- the type variables for the type constructor
462
463     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
464                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
465                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
466
467         -- Given data T a b c = ... deriving( C d ),
468         -- we want to drop type variables from T so that (C d (T a)) is well-kinded
469         ; let cls_tyvars = classTyVars cls
470               kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
471               (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
472               n_args_to_drop = length arg_kinds 
473               n_args_to_keep = tyConArity tc - n_args_to_drop
474               args_to_drop   = drop n_args_to_keep tc_args
475               inst_ty        = mkTyConApp tc (take n_args_to_keep tc_args)
476               inst_ty_kind   = typeKind inst_ty
477               dropped_tvs    = mkVarSet (mapCatMaybes getTyVar_maybe args_to_drop)
478               univ_tvs       = (mkVarSet tvs `extendVarSetList` deriv_tvs)
479                                         `minusVarSet` dropped_tvs
480  
481         -- Check that the result really is well-kinded
482         ; checkTc (n_args_to_keep >= 0 && (inst_ty_kind `eqKind` kind))
483                   (derivingKindErr tc cls cls_tys kind)
484
485         ; checkTc (sizeVarSet dropped_tvs == n_args_to_drop &&           -- (a)
486                    tyVarsOfTypes (inst_ty:cls_tys) `subVarSet` univ_tvs) -- (b)
487                   (derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty)
488                 -- Check that 
489                 --  (a) The data type can be eta-reduced; eg reject:
490                 --              data instance T a a = ... deriving( Monad )
491                 --  (b) The type class args do not mention any of the dropped type
492                 --      variables 
493                 --              newtype T a s = ... deriving( ST s )
494
495         -- Type families can't be partially applied
496         -- e.g.   newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Monad )
497         -- Note [Deriving, type families, and partial applications]
498         ; checkTc (not (isOpenTyCon tc) || n_args_to_drop == 0)
499                   (typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty)
500
501         ; mkEqnHelp DerivOrigin (varSetElems univ_tvs) cls cls_tys inst_ty Nothing } }
502   where
503         -- Tiresomely we must figure out the "lhs", which is awkward for type families
504         -- E.g.   data T a b = .. deriving( Eq )
505         --          Here, the lhs is (T a b)
506         --        data instance TF Int b = ... deriving( Eq )
507         --          Here, the lhs is (TF Int b)
508         -- But if we just look up the tycon_name, we get is the *family*
509         -- tycon, but not pattern types -- they are in the *rep* tycon.
510     get_lhs Nothing     = do { tc <- tcLookupTyCon tycon_name
511                              ; let tvs = tyConTyVars tc
512                              ; return (tvs, tc, mkTyVarTys tvs) }
513     get_lhs (Just pats) = do { let hs_app = nlHsTyConApp tycon_name pats
514                              ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
515                              ; let (tc, tc_args) = tcSplitTyConApp tc_app
516                              ; return (tvs, tc, tc_args) }
517
518 deriveTyData _other
519   = panic "derivTyData" -- Caller ensures that only TyData can happen
520 \end{code}
521
522 Note [Deriving, type families, and partial applications]
523 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
524 When there are no type families, it's quite easy:
525
526     newtype S a = MkS [a]
527     -- :CoS :: S  ~ []  -- Eta-reduced
528
529     instance Eq [a] => Eq (S a)         -- by coercion sym (Eq (coMkS a)) : Eq [a] ~ Eq (S a)
530     instance Monad [] => Monad S        -- by coercion sym (Monad coMkS)  : Monad [] ~ Monad S 
531
532 When type familes are involved it's trickier:
533
534     data family T a b
535     newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Eq, Monad )
536     -- :RT is the representation type for (T Int a)
537     --  :CoF:R1T a :: T Int a ~ :RT a   -- Not eta reduced
538     --  :Co:R1T    :: :RT ~ []          -- Eta-reduced
539
540     instance Eq [a] => Eq (T Int a)     -- easy by coercion
541     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
542
543 The "???" bit is that we don't build the :CoF thing in eta-reduced form
544 Henc the current typeFamilyPapErr, even though the instance makes sense.
545 After all, we can write it out
546     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
547       return x = MkT [x]
548       ... etc ...       
549
550 \begin{code}
551 mkEqnHelp :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class -> [Type] -> Type
552           -> Maybe ThetaType    -- Just    => context supplied (standalone deriving)
553                                 -- Nothing => context inferred (deriving on data decl)
554           -> TcRn EarlyDerivSpec
555 -- Make the EarlyDerivSpec for an instance
556 --      forall tvs. theta => cls (tys ++ [ty])
557 -- where the 'theta' is optional (that's the Maybe part)
558 -- Assumes that this declaration is well-kinded
559
560 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app mtheta
561   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
562   , isAlgTyCon tycon    -- Check for functions, primitive types etc
563   = do  { (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupFamInstExact tycon tc_args
564                   -- Be careful to test rep_tc here: in the case of families, 
565                   -- we want to check the instance tycon, not the family tycon
566
567         -- For standalone deriving (mtheta /= Nothing), 
568         -- check that all the data constructors are in scope.
569         -- No need for this when deriving Typeable, becuase we don't need
570         -- the constructors for that.
571         ; rdr_env <- getGlobalRdrEnv
572         ; let hidden_data_cons = isAbstractTyCon rep_tc || any not_in_scope (tyConDataCons rep_tc)
573               not_in_scope dc  = null (lookupGRE_Name rdr_env (dataConName dc))
574         ; checkTc (isNothing mtheta || 
575                    not hidden_data_cons ||
576                    className cls `elem` typeableClassNames) 
577                   (derivingHiddenErr tycon)
578
579         ; dflags <- getDOpts
580         ; if isDataTyCon rep_tc then
581                 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
582                               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
583           else
584                 mkNewTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys 
585                              tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta }
586   | otherwise
587   = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys tc_app
588                (ptext (sLit "The last argument of the instance must be a data or newtype application")))
589 \end{code}
590
591 Note [Looking up family instances for deriving]
592 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
593 tcLookupFamInstExact is an auxiliary lookup wrapper which requires
594 that looked-up family instances exist.  If called with a vanilla
595 tycon, the old type application is simply returned.
596
597 If we have
598   data instance F () = ... deriving Eq
599   data instance F () = ... deriving Eq
600 then tcLookupFamInstExact will be confused by the two matches;
601 but that can't happen because tcInstDecls1 doesn't call tcDeriving
602 if there are any overlaps.
603
604 There are two other things that might go wrong with the lookup.
605 First, we might see a standalone deriving clause
606         deriving Eq (F ())
607 when there is no data instance F () in scope. 
608
609 Note that it's OK to have
610   data instance F [a] = ...
611   deriving Eq (F [(a,b)])
612 where the match is not exact; the same holds for ordinary data types
613 with standalone deriving declrations.
614
615 \begin{code}
616 tcLookupFamInstExact :: TyCon -> [Type] -> TcM (TyCon, [Type])
617 tcLookupFamInstExact tycon tys
618   | not (isOpenTyCon tycon)
619   = return (tycon, tys)
620   | otherwise
621   = do { maybeFamInst <- tcLookupFamInst tycon tys
622        ; case maybeFamInst of
623            Nothing      -> famInstNotFound tycon tys
624            Just famInst -> return famInst
625        }
626
627 famInstNotFound :: TyCon -> [Type] -> TcM a
628 famInstNotFound tycon tys 
629   = failWithTc (ptext (sLit "No family instance for")
630                         <+> quotes (pprTypeApp tycon tys))
631 \end{code}
632
633
634 %************************************************************************
635 %*                                                                      *
636                 Deriving data types
637 %*                                                                      *
638 %************************************************************************
639
640 \begin{code}
641 mkDataTypeEqn :: InstOrigin
642               -> DynFlags
643               -> [Var]                  -- Universally quantified type variables in the instance
644               -> Class                  -- Class for which we need to derive an instance
645               -> [Type]                 -- Other parameters to the class except the last
646               -> TyCon                  -- Type constructor for which the instance is requested (last parameter to the type class)
647               -> [Type]                 -- Parameters to the type constructor
648               -> TyCon                  -- rep of the above (for type families)
649               -> [Type]                 -- rep of the above
650               -> Maybe ThetaType        -- Context of the instance, for standalone deriving
651               -> TcRn EarlyDerivSpec    -- Return 'Nothing' if error
652
653 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
654               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
655   | isJust mtheta = go_for_it   -- Do not test side conditions for standalone deriving
656   | otherwise     = case checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc of
657                       -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
658                       CanDerive               -> go_for_it
659                       NonDerivableClass       -> bale_out (nonStdErr cls)
660                       DerivableClassError msg -> bale_out msg
661   where
662     go_for_it    = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
663     bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) msg)
664
665 mk_data_eqn, mk_typeable_eqn
666    :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class 
667    -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> Maybe ThetaType
668    -> TcM EarlyDerivSpec
669 mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
670   | getName cls `elem` typeableClassNames
671   = mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
672
673   | otherwise
674   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
675         ; loc <- getSrcSpanM
676         ; let inst_tys = [mkTyConApp tycon tc_args]
677               inferred_constraints = inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
678               spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
679                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = tvs 
680                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
681                         , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
682                         , ds_theta =  mtheta `orElse` inferred_constraints
683                         , ds_newtype = False }
684
685         ; return (if isJust mtheta then Right spec      -- Specified context
686                                    else Left spec) }    -- Infer context
687
688 mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
689         -- The Typeable class is special in several ways
690         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
691         -- gives
692         --        instance Typeable2 T where ...
693         -- Notice that:
694         -- 1. There are no constraints in the instance
695         -- 2. There are no type variables either
696         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
697         --      Typeable; it depends on the arity of the type
698   | isNothing mtheta    -- deriving on a data type decl
699   = do  { checkTc (cls `hasKey` typeableClassKey)
700                   (ptext (sLit "Use deriving( Typeable ) on a data type declaration"))
701         ; real_cls <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
702         ; mk_typeable_eqn orig tvs real_cls tycon [] rep_tc [] (Just []) }
703
704   | otherwise           -- standaone deriving
705   = do  { checkTc (null tc_args)
706                   (ptext (sLit "Derived typeable instance must be of form (Typeable") 
707                         <> int (tyConArity tycon) <+> ppr tycon <> rparen)
708         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
709         ; loc <- getSrcSpanM
710         ; return (Right $
711                   DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_name = dfun_name, ds_tvs = []
712                      , ds_cls = cls, ds_tys = [mkTyConApp tycon []]
713                      , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
714                      , ds_theta = mtheta `orElse` [], ds_newtype = False })  }
715
716
717 inferConstraints :: [TyVar] -> Class -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> ThetaType
718 -- Generate a sufficiently large set of constraints that typechecking the
719 -- generated method definitions should succeed.   This set will be simplified
720 -- before being used in the instance declaration
721 inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
722   = ASSERT2( equalLength rep_tc_tvs all_rep_tc_args, ppr cls <+> ppr rep_tc )
723     stupid_constraints ++ extra_constraints
724     ++ sc_constraints ++ con_arg_constraints
725   where
726        -- Constraints arising from the arguments of each constructor
727     con_arg_constraints
728       = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
729         | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
730           arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
731                         get_constrained_tys $
732                         dataConInstOrigArgTys data_con all_rep_tc_args,
733           not (isUnLiftedType arg_ty) ]
734                 -- No constraints for unlifted types
735                 -- Where they are legal we generate specilised function calls
736
737                 -- For functor-like classes, two things are different
738                 -- (a) We recurse over argument types to generate constraints
739                 --     See Functor examples in TcGenDeriv
740                 -- (b) The rep_tc_args will be one short
741     is_functor_like = getUnique cls `elem` functorLikeClassKeys
742
743     get_constrained_tys :: [Type] -> [Type]
744     get_constrained_tys tys 
745         | is_functor_like = concatMap (deepSubtypesContaining last_tv) tys
746         | otherwise       = tys
747
748     rep_tc_tvs = tyConTyVars rep_tc
749     last_tv = last rep_tc_tvs
750     all_rep_tc_args | is_functor_like = rep_tc_args ++ [mkTyVarTy last_tv]
751                     | otherwise       = rep_tc_args
752
753         -- Constraints arising from superclasses
754         -- See Note [Superclasses of derived instance]
755     sc_constraints = substTheta (zipOpenTvSubst (classTyVars cls) inst_tys)
756                                 (classSCTheta cls)
757
758         -- Stupid constraints
759     stupid_constraints = substTheta subst (tyConStupidTheta rep_tc)
760     subst = zipTopTvSubst rep_tc_tvs all_rep_tc_args
761               
762         -- Extra constraints
763         -- The Data class (only) requires that for 
764         --    instance (...) => Data (T a b) 
765         -- then (Data a, Data b) are among the (...) constraints
766         -- Reason: that's what you need to typecheck the method
767         --             dataCast1 f = gcast1 f
768     extra_constraints 
769       | cls `hasKey` dataClassKey = [mkClassPred cls [mkTyVarTy tv] | tv <- tvs]
770       | otherwise                 = []
771
772 ------------------------------------------------------------------
773 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
774 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
775 --
776 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
777 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
778 -- family tycon (with indexes) in error messages.
779
780 data DerivStatus = CanDerive
781                  | DerivableClassError SDoc     -- Standard class, but can't do it
782                  | NonDerivableClass            -- Non-standard class
783
784 checkSideConditions :: DynFlags -> Class -> [TcType] -> TyCon -> DerivStatus
785 checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tc
786   | Just cond <- sideConditions cls
787   = case (cond (dflags, rep_tc)) of
788         Just err -> DerivableClassError err     -- Class-specific error
789         Nothing  | null cls_tys -> CanDerive
790                  | otherwise    -> DerivableClassError ty_args_why      -- e.g. deriving( Eq s )
791   | otherwise = NonDerivableClass       -- Not a standard class
792   where
793     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "is not a class")
794
795 nonStdErr :: Class -> SDoc
796 nonStdErr cls = quotes (ppr cls) <+> ptext (sLit "is not a derivable class")
797
798 sideConditions :: Class -> Maybe Condition
799 sideConditions cls
800   | cls_key == eqClassKey          = Just cond_std
801   | cls_key == ordClassKey         = Just cond_std
802   | cls_key == showClassKey        = Just cond_std
803   | cls_key == readClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
804   | cls_key == enumClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_isEnumeration)
805   | cls_key == ixClassKey          = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
806   | cls_key == boundedClassKey     = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
807   | cls_key == dataClassKey        = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` 
808                                            cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
809   | cls_key == functorClassKey     = Just (checkFlag Opt_DeriveFunctor `andCond`
810                                            cond_functorOK True)  -- NB: no cond_std!
811   | cls_key == foldableClassKey    = Just (checkFlag Opt_DeriveFoldable `andCond`
812                                            cond_functorOK False) -- Functor/Fold/Trav works ok for rank-n types
813   | cls_key == traversableClassKey = Just (checkFlag Opt_DeriveTraversable `andCond`
814                                            cond_functorOK False)
815   | getName cls `elem` typeableClassNames = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` cond_typeableOK)
816   | otherwise = Nothing
817   where
818     cls_key = getUnique cls
819
820 type Condition = (DynFlags, TyCon) -> Maybe SDoc
821         -- first Bool is whether or not we are allowed to derive Data and Typeable
822         -- second Bool is whether or not we are allowed to derive Functor
823         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
824         --      data type is an indexed one
825         -- Nothing => OK
826
827 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
828 orCond c1 c2 tc 
829   = case c1 tc of
830         Nothing -> Nothing              -- c1 succeeds
831         Just x  -> case c2 tc of        -- c1 fails
832                      Nothing -> Nothing
833                      Just y  -> Just (x $$ ptext (sLit "  and") $$ y)
834                                         -- Both fail
835
836 andCond :: Condition -> Condition -> Condition
837 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
838                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
839                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
840
841 cond_std :: Condition
842 cond_std (_, rep_tc)
843   | null data_cons      = Just no_cons_why
844   | not (null con_whys) = Just (vcat con_whys)
845   | otherwise           = Nothing
846   where
847     data_cons       = tyConDataCons rep_tc
848     no_cons_why     = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
849                       ptext (sLit "has no data constructors")
850
851     con_whys = mapCatMaybes check_con data_cons
852
853     check_con :: DataCon -> Maybe SDoc
854     check_con con 
855       | isVanillaDataCon con
856       , all isTauTy (dataConOrigArgTys con) = Nothing
857       | otherwise = Just (badCon con (ptext (sLit "does not have a Haskell-98 type")))
858   
859 cond_enumOrProduct :: Condition
860 cond_enumOrProduct = cond_isEnumeration `orCond` 
861                        (cond_isProduct `andCond` cond_noUnliftedArgs)
862
863 cond_noUnliftedArgs :: Condition
864 -- For some classes (eg Eq, Ord) we allow unlifted arg types
865 -- by generating specilaised code.  For others (eg Data) we don't.
866 cond_noUnliftedArgs (_, tc)
867   | null bad_cons = Nothing
868   | otherwise     = Just why
869   where
870     bad_cons = [ con | con <- tyConDataCons tc
871                      , any isUnLiftedType (dataConOrigArgTys con) ]
872     why = badCon (head bad_cons) (ptext (sLit "has arguments of unlifted type"))
873
874 cond_isEnumeration :: Condition
875 cond_isEnumeration (_, rep_tc)
876   | isEnumerationTyCon rep_tc = Nothing
877   | otherwise                 = Just why
878   where
879     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
880           ptext (sLit "has non-nullary constructors")
881
882 cond_isProduct :: Condition
883 cond_isProduct (_, rep_tc)
884   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
885   | otherwise             = Just why
886   where
887     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
888           ptext (sLit "has more than one constructor")
889
890 cond_typeableOK :: Condition
891 -- OK for Typeable class
892 -- Currently: (a) args all of kind *
893 --            (b) 7 or fewer args
894 cond_typeableOK (_, rep_tc)
895   | tyConArity rep_tc > 7       = Just too_many
896   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars rep_tc)) 
897                                 = Just bad_kind
898   | isFamInstTyCon rep_tc       = Just fam_inst  -- no Typable for family insts
899   | otherwise                   = Nothing
900   where
901     too_many = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
902                ptext (sLit "has too many arguments")
903     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
904                ptext (sLit "has arguments of kind other than `*'")
905     fam_inst = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
906                ptext (sLit "is a type family")
907
908
909 functorLikeClassKeys :: [Unique]
910 functorLikeClassKeys = [functorClassKey, foldableClassKey, traversableClassKey]
911
912 cond_functorOK :: Bool -> Condition
913 -- OK for Functor class
914 -- Currently: (a) at least one argument
915 --            (b) don't use argument contravariantly
916 --            (c) don't use argument in the wrong place, e.g. data T a = T (X a a)
917 --            (d) optionally: don't use function types
918 cond_functorOK allowFunctions (dflags, rep_tc) 
919   | not (dopt Opt_DeriveFunctor dflags)
920   = Just (ptext (sLit "You need -XDeriveFunctor to derive an instance for this class"))
921   | otherwise
922   = msum (map check_con data_cons)      -- msum picks the first 'Just', if any
923   where
924     data_cons = tyConDataCons rep_tc
925     check_con con = msum (check_vanilla con : foldDataConArgs (ft_check con) con)
926
927     check_vanilla :: DataCon -> Maybe SDoc
928     check_vanilla con | isVanillaDataCon con = Nothing
929                       | otherwise            = Just (badCon con existential)
930
931     ft_check :: DataCon -> FFoldType (Maybe SDoc)
932     ft_check con = FT { ft_triv = Nothing, ft_var = Nothing
933                       , ft_co_var = Just (badCon con covariant)
934                       , ft_fun = \x y -> if allowFunctions then x `mplus` y 
935                                                            else Just (badCon con functions)
936                       , ft_tup = \_ xs  -> msum xs
937                       , ft_ty_app = \_ x   -> x
938                       , ft_bad_app = Just (badCon con wrong_arg)
939                       , ft_forall = \_ x   -> x }
940                     
941     existential = ptext (sLit "has existential arguments")
942     covariant   = ptext (sLit "uses the type variable in a function argument")
943     functions   = ptext (sLit "contains function types")
944     wrong_arg   = ptext (sLit "uses the type variable in an argument other than the last")
945
946 checkFlag :: DynFlag -> Condition
947 checkFlag flag (dflags, _)
948   | dopt flag dflags = Nothing
949   | otherwise        = Just why
950   where
951     why = ptext (sLit "You need -X") <> text flag_str 
952           <+> ptext (sLit "to derive an instance for this class")
953     flag_str = case [ s | (s, f, _) <- xFlags, f==flag ] of
954                  [s]   -> s
955                  other -> pprPanic "checkFlag" (ppr other)
956
957 std_class_via_iso :: Class -> Bool
958 std_class_via_iso clas  -- These standard classes can be derived for a newtype
959                         -- using the isomorphism trick *even if no -fglasgow-exts*
960   = classKey clas `elem` [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
961         -- Not Read/Show because they respect the type
962         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
963
964
965 new_dfun_name :: Class -> TyCon -> TcM Name
966 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
967   = do { loc <- getSrcSpanM     -- The location of the instance decl, not of the tycon
968         ; newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] loc }
969         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
970         -- a suitable string; hence the empty type arg list
971
972 badCon :: DataCon -> SDoc -> SDoc
973 badCon con msg = ptext (sLit "Constructor") <+> quotes (ppr con) <+> msg
974 \end{code}
975
976 Note [Superclasses of derived instance] 
977 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
978 In general, a derived instance decl needs the superclasses of the derived
979 class too.  So if we have
980         data T a = ...deriving( Ord )
981 then the initial context for Ord (T a) should include Eq (T a).  Often this is 
982 redundant; we'll also generate an Ord constraint for each constructor argument,
983 and that will probably generate enough constraints to make the Eq (T a) constraint 
984 be satisfied too.  But not always; consider:
985
986  data S a = S
987  instance Eq (S a)
988  instance Ord (S a)
989
990  data T a = MkT (S a) deriving( Ord )
991  instance Num a => Eq (T a)
992
993 The derived instance for (Ord (T a)) must have a (Num a) constraint!
994 Similarly consider:
995         data T a = MkT deriving( Data, Typeable )
996 Here there *is* no argument field, but we must nevertheless generate
997 a context for the Data instances:
998         instance Typable a => Data (T a) where ...
999
1000
1001 %************************************************************************
1002 %*                                                                      *
1003                 Deriving newtypes
1004 %*                                                                      *
1005 %************************************************************************
1006
1007 \begin{code}
1008 mkNewTypeEqn :: InstOrigin -> DynFlags -> [Var] -> Class
1009              -> [Type] -> TyCon -> [Type] -> TyCon -> [Type]
1010              -> Maybe ThetaType
1011              -> TcRn EarlyDerivSpec
1012 mkNewTypeEqn orig dflags tvs
1013              cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1014 -- Want: instance (...) => cls (cls_tys ++ [tycon tc_args]) where ...
1015   | can_derive_via_isomorphism && (newtype_deriving || std_class_via_iso cls)
1016   = do  { traceTc (text "newtype deriving:" <+> ppr tycon <+> ppr rep_tys)
1017         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
1018         ; loc <- getSrcSpanM
1019         ; let spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
1020                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = varSetElems dfun_tvs 
1021                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
1022                         , ds_tc = rep_tycon, ds_tc_args = rep_tc_args
1023                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_preds
1024                         , ds_newtype = True }
1025         ; return (if isJust mtheta then Right spec
1026                                    else Left spec) }
1027
1028   | isJust mtheta = go_for_it   -- Do not check side conditions for standalone deriving
1029   | otherwise
1030   = case checkSideConditions dflags cls cls_tys rep_tycon of
1031       CanDerive               -> go_for_it      -- Use the standard H98 method
1032       DerivableClassError msg -> bale_out msg   -- Error with standard class
1033       NonDerivableClass         -- Must use newtype deriving
1034         | newtype_deriving    -> bale_out cant_derive_err  -- Too hard, even with newtype deriving
1035         | otherwise           -> bale_out non_std_err      -- Try newtype deriving!
1036   where
1037         newtype_deriving = dopt Opt_GeneralizedNewtypeDeriving dflags
1038         go_for_it        = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1039         bale_out msg     = failWithTc (derivingThingErr cls cls_tys inst_ty msg)
1040
1041         non_std_err = nonStdErr cls $$
1042                       ptext (sLit "Try -XGeneralizedNewtypeDeriving for GHC's newtype-deriving extension")
1043
1044         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
1045         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
1046         -- where t is a type,
1047         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
1048         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
1049         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
1050         --                      with the last parameter missing
1051         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
1052         --              (and hence so does t)
1053         -- The latter kind-check has been done by deriveTyData already,
1054         -- and tc_args are already trimmed
1055         --
1056         -- We generate the instance
1057         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
1058         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
1059         -- where T a1...ap is the partial application of 
1060         --       the LHS of the correct kind and p >= k
1061         --
1062         --      NB: the variables below are:
1063         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
1064         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
1065         --              rep_ty = t ak .. an
1066         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
1067         --              tys = [s1, ..., sm]
1068         --              rep_fn' = t
1069         --
1070         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
1071         -- We generate the instance
1072         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
1073
1074         nt_eta_arity = length (fst (newTyConEtadRhs rep_tycon))
1075                 -- For newtype T a b = MkT (S a a b), the TyCon machinery already
1076                 -- eta-reduces the representation type, so we know that
1077                 --      T a ~ S a a
1078                 -- That's convenient here, because we may have to apply
1079                 -- it to fewer than its original complement of arguments
1080
1081         -- Note [Newtype representation]
1082         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1083         -- Need newTyConRhs (*not* a recursive representation finder) 
1084         -- to get the representation type. For example
1085         --      newtype B = MkB Int
1086         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
1087         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
1088         -- when making the Num instance of A!
1089         rep_inst_ty = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
1090         rep_tys     = cls_tys ++ [rep_inst_ty]
1091         rep_pred    = mkClassPred cls rep_tys
1092                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
1093                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
1094                 -- dictionary 
1095
1096
1097     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
1098     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
1099
1100         cls_tyvars = classTyVars cls
1101         dfun_tvs = tyVarsOfTypes inst_tys
1102         inst_ty = mkTyConApp tycon tc_args
1103         inst_tys = cls_tys ++ [inst_ty]
1104         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
1105                               (classSCTheta cls)
1106
1107                 -- If there are no tyvars, there's no need
1108                 -- to abstract over the dictionaries we need
1109                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
1110                 -- We get the derived instance
1111                 --              instance C T
1112                 -- rather than
1113                 --              instance C Int => C T
1114         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
1115
1116         -------------------------------------------------------------------
1117         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
1118
1119         can_derive_via_isomorphism
1120            =  not (non_iso_class cls)
1121            && arity_ok
1122            && eta_ok
1123            && ats_ok
1124 --         && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Note [Recursive newtypes]
1125
1126                 -- Never derive Read,Show,Typeable,Data by isomorphism
1127         non_iso_class cls = className cls `elem` ([readClassName, showClassName, dataClassName] ++
1128                                                   typeableClassNames)
1129
1130         arity_ok = length cls_tys + 1 == classArity cls
1131                 -- Well kinded; eg not: newtype T ... deriving( ST )
1132                 --                      because ST needs *2* type params
1133
1134         -- Check that eta reduction is OK
1135         eta_ok = nt_eta_arity <= length rep_tc_args
1136                 -- The newtype can be eta-reduced to match the number
1137                 --     of type argument actually supplied
1138                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
1139                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
1140                 --     And the [a] must not mention 'b'.  That's all handled
1141                 --     by nt_eta_rity.
1142
1143         ats_ok = null (classATs cls)    
1144                -- No associated types for the class, because we don't 
1145                -- currently generate type 'instance' decls; and cannot do
1146                -- so for 'data' instance decls
1147                                          
1148         cant_derive_err
1149            = vcat [ ptext (sLit "even with cunning newtype deriving:")
1150                   , if arity_ok then empty else arity_msg
1151                   , if eta_ok then empty else eta_msg
1152                   , if ats_ok then empty else ats_msg ]
1153         arity_msg = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "does not have arity 1")
1154         eta_msg   = ptext (sLit "cannot eta-reduce the representation type enough")
1155         ats_msg   = ptext (sLit "the class has associated types")
1156 \end{code}
1157
1158 Note [Recursive newtypes]
1159 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1160 Newtype deriving works fine, even if the newtype is recursive.
1161 e.g.    newtype S1 = S1 [T1 ()]
1162         newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
1163 Remember, too, that type families are curretly (conservatively) given
1164 a recursive flag, so this also allows newtype deriving to work
1165 for type famillies.
1166
1167 We used to exclude recursive types, because we had a rather simple
1168 minded way of generating the instance decl:
1169    newtype A = MkA [A]
1170    instance Eq [A] => Eq A      -- Makes typechecker loop!
1171 But now we require a simple context, so it's ok.
1172
1173
1174 %************************************************************************
1175 %*                                                                      *
1176 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
1177 %*                                                                      *
1178 %************************************************************************
1179
1180 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
1181 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
1182 equation.
1183 \begin{itemize}
1184 \item
1185 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
1186 variable, tv.
1187
1188 \item
1189 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
1190 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
1191 (minor key)
1192 \end{itemize}
1193
1194 \begin{code}
1195 inferInstanceContexts :: OverlapFlag -> [DerivSpec] -> TcM [DerivSpec]
1196
1197 inferInstanceContexts _ [] = return []
1198
1199 inferInstanceContexts oflag infer_specs
1200   = do  { traceTc (text "inferInstanceContexts" <+> vcat (map pprDerivSpec infer_specs))
1201         ; iterate_deriv 1 initial_solutions }
1202   where
1203     ------------------------------------------------------------------
1204         -- The initial solutions for the equations claim that each
1205         -- instance has an empty context; this solution is certainly
1206         -- in canonical form.
1207     initial_solutions :: [ThetaType]
1208     initial_solutions = [ [] | _ <- infer_specs ]
1209
1210     ------------------------------------------------------------------
1211         -- iterate_deriv calculates the next batch of solutions,
1212         -- compares it with the current one; finishes if they are the
1213         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
1214         -- It fails if any iteration fails
1215     iterate_deriv :: Int -> [ThetaType] -> TcM [DerivSpec]
1216     iterate_deriv n current_solns
1217       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
1218                 -- This can happen if we have -XUndecidableInstances
1219                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
1220       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
1221                  (vcat (map pprDerivSpec infer_specs) $$ ppr current_solns)
1222       | otherwise
1223       = do {      -- Extend the inst info from the explicit instance decls
1224                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
1225              let inst_specs = zipWithEqual "add_solns" (mkInstance oflag)
1226                                            current_solns infer_specs
1227            ; new_solns <- checkNoErrs $
1228                           extendLocalInstEnv inst_specs $
1229                           mapM gen_soln infer_specs
1230
1231            ; if (current_solns == new_solns) then
1232                 return [ spec { ds_theta = soln } 
1233                        | (spec, soln) <- zip infer_specs current_solns ]
1234              else
1235                 iterate_deriv (n+1) new_solns }
1236
1237     ------------------------------------------------------------------
1238     gen_soln :: DerivSpec  -> TcM [PredType]
1239     gen_soln (DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_tvs = tyvars 
1240                  , ds_cls = clas, ds_tys = inst_tys, ds_theta = deriv_rhs })
1241       = setSrcSpan loc  $
1242         addErrCtxt (derivInstCtxt clas inst_tys) $ 
1243         do { theta <- tcSimplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
1244                 -- checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1245                 -- Not necessary; see Note [Exotic derived instance contexts]
1246                 --                in TcSimplify
1247
1248                   -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1249                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1250                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1251                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1252                   -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
1253            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
1254                  weird_preds = [pred | pred <- theta, not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
1255            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
1256
1257                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
1258                 -- Hence no need to call:
1259                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1260            ; return (sortLe (<=) theta) }       -- Canonicalise before returning the solution
1261
1262 ------------------------------------------------------------------
1263 mkInstance :: OverlapFlag -> ThetaType -> DerivSpec -> Instance
1264 mkInstance overlap_flag theta
1265             (DS { ds_name = dfun_name
1266                 , ds_tvs = tyvars, ds_cls = clas, ds_tys = tys })
1267   = mkLocalInstance dfun overlap_flag
1268   where
1269     dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas tys
1270
1271
1272 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
1273 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
1274 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
1275 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
1276  = do { env <- getGblEnv
1277       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
1278              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
1279       ; setGblEnv env' thing_inside }
1280 \end{code}
1281
1282
1283 %************************************************************************
1284 %*                                                                      *
1285 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
1286 %*                                                                      *
1287 %************************************************************************
1288
1289 After all the trouble to figure out the required context for the
1290 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
1291 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
1292 will do all its usual business.
1293
1294 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
1295 various general remarks.
1296
1297 PRINCIPLES:
1298 \begin{itemize}
1299 \item
1300 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
1301 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
1302
1303 \item
1304 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
1305
1306 \item
1307 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
1308 \end{itemize}
1309
1310 PRAGMATICS:
1311
1312 \begin{itemize}
1313 \item
1314 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
1315
1316 \item
1317 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
1318
1319 \item
1320 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
1321 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
1322
1323 \item
1324 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
1325 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
1326 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
1327 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
1328
1329 The examples under the different sections below will make this
1330 clearer.
1331
1332 \item
1333 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
1334 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
1335
1336 \item
1337 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
1338 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
1339 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
1340 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
1341 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
1342 the renamer.  What a great hack!
1343 \end{itemize}
1344
1345 \begin{code}
1346 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
1347 --   *representation* tycon for that instance,
1348 -- plus any auxiliary bindings required
1349 --
1350 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
1351 -- case of instances for indexed families.
1352 --
1353 genInst :: Bool         -- True <=> standalone deriving
1354         -> OverlapFlag
1355         -> DerivSpec -> TcM (InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)
1356 genInst standalone_deriv oflag spec
1357   | ds_newtype spec
1358   = return (InstInfo { iSpec  = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1359                      , iBinds = NewTypeDerived co }, [])
1360
1361   | otherwise
1362   = do  { let loc  = getSrcSpan (ds_name spec)
1363               inst = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1364               clas = ds_cls spec
1365
1366           -- In case of a family instance, we need to use the representation
1367           -- tycon (after all, it has the data constructors)
1368         ; fix_env <- getFixityEnv
1369         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds loc fix_env clas rep_tycon
1370               binds = VanillaInst meth_binds [] standalone_deriv
1371         ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds }, aux_binds)
1372         }
1373   where
1374     rep_tycon   = ds_tc spec
1375     rep_tc_args = ds_tc_args spec
1376     co1 = case tyConFamilyCoercion_maybe rep_tycon of
1377               Nothing     -> IdCo
1378               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1379     co2 = case newTyConCo_maybe rep_tycon of
1380               Nothing     -> IdCo       -- The newtype is transparent; no need for a cast
1381               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1382     co = co1 `mkTransCoI` co2
1383
1384 -- Example: newtype instance N [a] = N1 (Tree a) 
1385 --          deriving instance Eq b => Eq (N [(b,b)])
1386 -- From the instance, we get an implicit newtype R1:N a = N1 (Tree a)
1387 -- When dealing with the deriving clause
1388 --    co1 : N [(b,b)] ~ R1:N (b,b)
1389 --    co2 : R1:N (b,b) ~ Tree (b,b)
1390
1391 genDerivBinds :: SrcSpan -> FixityEnv -> Class -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds)
1392 genDerivBinds loc fix_env clas tycon
1393   | className clas `elem` typeableClassNames
1394   = (gen_Typeable_binds loc tycon, [])
1395
1396   | otherwise
1397   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
1398         Just gen_fn -> gen_fn loc tycon
1399         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
1400   where
1401     gen_list :: [(Unique, SrcSpan -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds))]
1402     gen_list = [(eqClassKey,       gen_Eq_binds)
1403                ,(ordClassKey,      gen_Ord_binds)
1404                ,(enumClassKey,     gen_Enum_binds)
1405                ,(boundedClassKey,  gen_Bounded_binds)
1406                ,(ixClassKey,       gen_Ix_binds)
1407                ,(showClassKey,     gen_Show_binds fix_env)
1408                ,(readClassKey,     gen_Read_binds fix_env)
1409                ,(dataClassKey,     gen_Data_binds)
1410                ,(functorClassKey,  gen_Functor_binds)
1411                ,(foldableClassKey, gen_Foldable_binds)
1412                ,(traversableClassKey, gen_Traversable_binds)
1413                ]
1414 \end{code}
1415
1416
1417 %************************************************************************
1418 %*                                                                      *
1419 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1420 %*                                                                      *
1421 %************************************************************************
1422
1423 \begin{code}
1424 derivingKindErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Kind -> Message
1425 derivingKindErr tc cls cls_tys cls_kind
1426   = hang (ptext (sLit "Cannot derive well-kinded instance of form")
1427                 <+> quotes (pprClassPred cls cls_tys <+> parens (ppr tc <+> ptext (sLit "..."))))
1428        2 (ptext (sLit "Class") <+> quotes (ppr cls)
1429             <+> ptext (sLit "expects an argument of kind") <+> quotes (pprKind cls_kind))
1430
1431 derivingEtaErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message
1432 derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty
1433   = sep [ptext (sLit "Cannot eta-reduce to an instance of form"),
1434          nest 2 (ptext (sLit "instance (...) =>")
1435                 <+> pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty]))]
1436
1437 typeFamilyPapErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Type -> Message
1438 typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty
1439   = hang (ptext (sLit "Derived instance") <+> quotes (pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty])))
1440        2 (ptext (sLit "requires illegal partial application of data type family") <+> ppr tc) 
1441
1442 derivingThingErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message -> Message
1443 derivingThingErr clas tys ty why
1444   = sep [hsep [ptext (sLit "Can't make a derived instance of"), 
1445                quotes (ppr pred)],
1446          nest 2 (parens why)]
1447   where
1448     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1449
1450 derivingHiddenErr :: TyCon -> SDoc
1451 derivingHiddenErr tc
1452   = hang (ptext (sLit "The data constructors of") <+> quotes (ppr tc) <+> ptext (sLit "are not all in scope"))
1453        2 (ptext (sLit "so you cannot derive an instance for it"))
1454
1455 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1456 standaloneCtxt ty = hang (ptext (sLit "In the stand-alone deriving instance for")) 
1457                        2 (quotes (ppr ty))
1458
1459 derivInstCtxt :: Class -> [Type] -> Message
1460 derivInstCtxt clas inst_tys
1461   = ptext (sLit "When deriving the instance for") <+> parens (pprClassPred clas inst_tys)
1462
1463 badDerivedPred :: PredType -> Message
1464 badDerivedPred pred
1465   = vcat [ptext (sLit "Can't derive instances where the instance context mentions"),
1466           ptext (sLit "type variables that are not data type parameters"),
1467           nest 2 (ptext (sLit "Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1468 \end{code}