Tidy up deriving error messages
[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 DerivContext = Maybe ThetaType
96    -- Nothing    <=> Vanilla deriving; infer the context of the instance decl
97    -- Just theta <=> Standalone deriving: context supplied by programmer
98
99 type EarlyDerivSpec = Either DerivSpec DerivSpec
100         -- Left  ds => the context for the instance should be inferred
101         --             In this case ds_theta is the list of all the 
102         --                constraints needed, such as (Eq [a], Eq a)
103         --                The inference process is to reduce this to a 
104         --                simpler form (e.g. Eq a)
105         -- 
106         -- Right ds => the exact context for the instance is supplied 
107         --             by the programmer; it is ds_theta
108
109 pprDerivSpec :: DerivSpec -> SDoc
110 pprDerivSpec (DS { ds_loc = l, ds_name = n, ds_tvs = tvs, 
111                    ds_cls = c, ds_tys = tys, ds_theta = rhs })
112   = parens (hsep [ppr l, ppr n, ppr tvs, ppr c, ppr tys]
113             <+> equals <+> ppr rhs)
114 \end{code}
115
116
117 Inferring missing contexts 
118 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
119 Consider
120
121         data T a b = C1 (Foo a) (Bar b)
122                    | C2 Int (T b a)
123                    | C3 (T a a)
124                    deriving (Eq)
125
126 [NOTE: See end of these comments for what to do with 
127         data (C a, D b) => T a b = ...
128 ]
129
130 We want to come up with an instance declaration of the form
131
132         instance (Ping a, Pong b, ...) => Eq (T a b) where
133                 x == y = ...
134
135 It is pretty easy, albeit tedious, to fill in the code "...".  The
136 trick is to figure out what the context for the instance decl is,
137 namely @Ping@, @Pong@ and friends.
138
139 Let's call the context reqd for the T instance of class C at types
140 (a,b, ...)  C (T a b).  Thus:
141
142         Eq (T a b) = (Ping a, Pong b, ...)
143
144 Now we can get a (recursive) equation from the @data@ decl:
145
146         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
147                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
148                    u Eq (T a a)                 -- From C3
149
150 Foo and Bar may have explicit instances for @Eq@, in which case we can
151 just substitute for them.  Alternatively, either or both may have
152 their @Eq@ instances given by @deriving@ clauses, in which case they
153 form part of the system of equations.
154
155 Now all we need do is simplify and solve the equations, iterating to
156 find the least fixpoint.  Notice that the order of the arguments can
157 switch around, as here in the recursive calls to T.
158
159 Let's suppose Eq (Foo a) = Eq a, and Eq (Bar b) = Ping b.
160
161 We start with:
162
163         Eq (T a b) = {}         -- The empty set
164
165 Next iteration:
166         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
167                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
168                    u Eq (T a a)                 -- From C3
169
170         After simplification:
171                    = Eq a u Ping b u {} u {} u {}
172                    = Eq a u Ping b
173
174 Next iteration:
175
176         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
177                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
178                    u Eq (T a a)                 -- From C3
179
180         After simplification:
181                    = Eq a u Ping b
182                    u (Eq b u Ping a)
183                    u (Eq a u Ping a)
184
185                    = Eq a u Ping b u Eq b u Ping a
186
187 The next iteration gives the same result, so this is the fixpoint.  We
188 need to make a canonical form of the RHS to ensure convergence.  We do
189 this by simplifying the RHS to a form in which
190
191         - the classes constrain only tyvars
192         - the list is sorted by tyvar (major key) and then class (minor key)
193         - no duplicates, of course
194
195 So, here are the synonyms for the ``equation'' structures:
196
197
198 Note [Data decl contexts]
199 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
200 Consider
201
202         data (RealFloat a) => Complex a = !a :+ !a deriving( Read )
203
204 We will need an instance decl like:
205
206         instance (Read a, RealFloat a) => Read (Complex a) where
207           ...
208
209 The RealFloat in the context is because the read method for Complex is bound
210 to construct a Complex, and doing that requires that the argument type is
211 in RealFloat. 
212
213 But this ain't true for Show, Eq, Ord, etc, since they don't construct
214 a Complex; they only take them apart.
215
216 Our approach: identify the offending classes, and add the data type
217 context to the instance decl.  The "offending classes" are
218
219         Read, Enum?
220
221 FURTHER NOTE ADDED March 2002.  In fact, Haskell98 now requires that
222 pattern matching against a constructor from a data type with a context
223 gives rise to the constraints for that context -- or at least the thinned
224 version.  So now all classes are "offending".
225
226 Note [Newtype deriving]
227 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
228 Consider this:
229     class C a b
230     instance C [a] Char
231     newtype T = T Char deriving( C [a] )
232
233 Notice the free 'a' in the deriving.  We have to fill this out to 
234     newtype T = T Char deriving( forall a. C [a] )
235
236 And then translate it to:
237     instance C [a] Char => C [a] T where ...
238     
239         
240 Note [Newtype deriving superclasses]
241 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
242 (See also Trac #1220 for an interesting exchange on newtype
243 deriving and superclasses.)
244
245 The 'tys' here come from the partial application in the deriving
246 clause. The last arg is the new instance type.
247
248 We must pass the superclasses; the newtype might be an instance
249 of them in a different way than the representation type
250 E.g.            newtype Foo a = Foo a deriving( Show, Num, Eq )
251 Then the Show instance is not done via isomorphism; it shows
252         Foo 3 as "Foo 3"
253 The Num instance is derived via isomorphism, but the Show superclass
254 dictionary must the Show instance for Foo, *not* the Show dictionary
255 gotten from the Num dictionary. So we must build a whole new dictionary
256 not just use the Num one.  The instance we want is something like:
257      instance (Num a, Show (Foo a), Eq (Foo a)) => Num (Foo a) where
258         (+) = ((+)@a)
259         ...etc...
260 There may be a coercion needed which we get from the tycon for the newtype
261 when the dict is constructed in TcInstDcls.tcInstDecl2
262
263
264 Note [Unused constructors and deriving clauses]
265 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
266 See Trac #3221.  Consider
267    data T = T1 | T2 deriving( Show )
268 Are T1 and T2 unused?  Well, no: the deriving clause expands to mention
269 both of them.  So we gather defs/uses from deriving just like anything else.
270
271 %************************************************************************
272 %*                                                                      *
273 \subsection[TcDeriv-driver]{Top-level function for \tr{derivings}}
274 %*                                                                      *
275 %************************************************************************
276
277 \begin{code}
278 tcDeriving  :: [LTyClDecl Name]  -- All type constructors
279             -> [LInstDecl Name]  -- All instance declarations
280             -> [LDerivDecl Name] -- All stand-alone deriving declarations
281             -> TcM ([InstInfo Name],    -- The generated "instance decls"
282                     HsValBinds Name,    -- Extra generated top-level bindings
283                     DefUses)
284
285 tcDeriving tycl_decls inst_decls deriv_decls
286   = recoverM (return ([], emptyValBindsOut, emptyDUs)) $
287     do  {       -- Fish the "deriving"-related information out of the TcEnv
288                 -- And make the necessary "equations".
289           is_boot <- tcIsHsBoot
290         ; traceTc (text "tcDeriving" <+> ppr is_boot)
291         ; early_specs <- makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
292
293         ; overlap_flag <- getOverlapFlag
294         ; let (infer_specs, given_specs) = splitEithers early_specs
295         ; insts1 <- mapM (genInst True overlap_flag) given_specs
296
297         ; final_specs <- extendLocalInstEnv (map (iSpec . fst) insts1) $
298                          inferInstanceContexts overlap_flag infer_specs
299
300         ; insts2 <- mapM (genInst False overlap_flag) final_specs
301
302                  -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
303         ; gen_binds <- mkGenericBinds is_boot tycl_decls
304         ; (inst_info, rn_binds, rn_dus) <- renameDeriv is_boot gen_binds (insts1 ++ insts2)
305
306         ; dflags <- getDOpts
307         ; liftIO (dumpIfSet_dyn dflags Opt_D_dump_deriv "Derived instances"
308                  (ddump_deriving inst_info rn_binds))
309
310         ; return (inst_info, rn_binds, rn_dus) }
311   where
312     ddump_deriving :: [InstInfo Name] -> HsValBinds Name -> SDoc
313     ddump_deriving inst_infos extra_binds
314       = vcat (map pprInstInfoDetails inst_infos) $$ ppr extra_binds
315
316 renameDeriv :: Bool -> LHsBinds RdrName
317             -> [(InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)]
318             -> TcM ([InstInfo Name], HsValBinds Name, DefUses)
319 renameDeriv is_boot gen_binds insts
320   | is_boot     -- If we are compiling a hs-boot file, don't generate any derived bindings
321                 -- The inst-info bindings will all be empty, but it's easier to
322                 -- just use rn_inst_info to change the type appropriately
323   = do  { (rn_inst_infos, fvs) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos  
324         ; return (rn_inst_infos, emptyValBindsOut, usesOnly (plusFVs fvs)) }
325
326   | otherwise
327   = discardWarnings $    -- Discard warnings about unused bindings etc
328     do  { (rn_gen, dus_gen) <- setOptM Opt_ScopedTypeVariables $  -- Type signatures in patterns 
329                                                                   -- are used in the generic binds
330                                rnTopBinds (ValBindsIn gen_binds [])
331         ; keepAliveSetTc (duDefs dus_gen)       -- Mark these guys to be kept alive
332
333                 -- Generate and rename any extra not-one-inst-decl-specific binds, 
334                 -- notably "con2tag" and/or "tag2con" functions.  
335                 -- Bring those names into scope before renaming the instances themselves
336         ; loc <- getSrcSpanM    -- Generic loc for shared bindings
337         ; let aux_binds = listToBag $ map (genAuxBind loc) $ 
338                           rm_dups [] $ concat deriv_aux_binds
339         ; rn_aux_lhs <- rnTopBindsLHS emptyFsEnv (ValBindsIn aux_binds [])
340         ; let aux_names = map unLoc (collectHsValBinders rn_aux_lhs)
341
342         ; bindLocalNames aux_names $ 
343     do  { (rn_aux, dus_aux) <- rnTopBindsRHS (mkNameSet aux_names) rn_aux_lhs
344         ; (rn_inst_infos, fvs_insts) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos
345         ; return (rn_inst_infos, rn_aux `plusHsValBinds` rn_gen,
346                   dus_gen `plusDU` dus_aux `plusDU` usesOnly (plusFVs fvs_insts)) } }
347
348   where
349     (inst_infos, deriv_aux_binds) = unzip insts
350     
351         -- Remove duplicate requests for auxilliary bindings
352     rm_dups acc [] = acc
353     rm_dups acc (b:bs) | any (isDupAux b) acc = rm_dups acc bs
354                        | otherwise            = rm_dups (b:acc) bs
355
356
357     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co })
358         = return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = NewTypeDerived co }, emptyFVs)
359
360     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst binds sigs standalone_deriv })
361         =       -- Bring the right type variables into 
362                 -- scope (yuk), and rename the method binds
363            ASSERT( null sigs )
364            bindLocalNames (map Var.varName tyvars) $
365            do { (rn_binds, fvs) <- rnMethodBinds clas_nm (\_ -> []) [] binds
366               ; let binds' = VanillaInst rn_binds [] standalone_deriv
367               ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds' }, fvs) }
368         where
369           (tyvars,_, clas,_) = instanceHead inst
370           clas_nm            = className clas
371
372 -----------------------------------------
373 mkGenericBinds :: Bool -> [LTyClDecl Name] -> TcM (LHsBinds RdrName)
374 mkGenericBinds is_boot tycl_decls
375   | is_boot 
376   = return emptyBag
377   | otherwise
378   = do  { tcs <- mapM tcLookupTyCon [ tcdName d 
379                                     | L _ d <- tycl_decls, isDataDecl d ]
380         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc
381                                 | tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
382                 -- We are only interested in the data type declarations,
383                 -- and then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
384                 -- The predicate tyConHasGenerics finds both of these
385 \end{code}
386
387
388 %************************************************************************
389 %*                                                                      *
390                 From HsSyn to DerivSpec
391 %*                                                                      *
392 %************************************************************************
393
394 @makeDerivSpecs@ fishes around to find the info about needed derived instances.
395
396 \begin{code}
397 makeDerivSpecs :: Bool 
398                -> [LTyClDecl Name] 
399                -> [LInstDecl Name]
400                -> [LDerivDecl Name] 
401                -> TcM [EarlyDerivSpec]
402
403 makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
404   | is_boot     -- No 'deriving' at all in hs-boot files
405   = do  { mapM_ add_deriv_err deriv_locs 
406         ; return [] }
407   | otherwise
408   = do  { eqns1 <- mapAndRecoverM deriveTyData all_tydata
409         ; eqns2 <- mapAndRecoverM deriveStandalone deriv_decls
410         ; return (eqns1 ++ eqns2) }
411   where
412     extractTyDataPreds decls
413       = [(p, d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- decls, p <- preds]
414
415     all_tydata :: [(LHsType Name, LTyClDecl Name)]
416         -- Derived predicate paired with its data type declaration
417     all_tydata = extractTyDataPreds tycl_decls ++
418                  [ pd                -- Traverse assoc data families
419                  | L _ (InstDecl _ _ _ ats) <- inst_decls
420                  , pd <- extractTyDataPreds ats ]
421
422     deriv_locs = map (getLoc . snd) all_tydata
423                  ++ map getLoc deriv_decls
424
425     add_deriv_err loc = setSrcSpan loc $
426                         addErr (hang (ptext (sLit "Deriving not permitted in hs-boot file"))
427                                    2 (ptext (sLit "Use an instance declaration instead")))
428
429 ------------------------------------------------------------------
430 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM EarlyDerivSpec
431 -- Standalone deriving declarations
432 --  e.g.   deriving instance Show a => Show (T a)
433 -- Rather like tcLocalInstDecl
434 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
435   = setSrcSpan loc                   $
436     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
437     do { traceTc (text "standalone deriving decl for" <+> ppr deriv_ty)
438        ; (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
439        ; traceTc (text "standalone deriving;"
440               <+> text "tvs:" <+> ppr tvs
441               <+> text "theta:" <+> ppr theta
442               <+> text "tau:" <+> ppr tau)
443        ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstHead tau
444        ; checkValidInstance tvs theta cls inst_tys
445                 -- C.f. TcInstDcls.tcLocalInstDecl1
446
447        ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
448              inst_ty = last inst_tys
449        ; traceTc (text "standalone deriving;"
450               <+> text "class:" <+> ppr cls
451               <+> text "class types:" <+> ppr cls_tys
452               <+> text "type:" <+> ppr inst_ty)
453        ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty
454                    (Just theta) }
455
456 ------------------------------------------------------------------
457 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM EarlyDerivSpec
458 deriveTyData (L loc deriv_pred, L _ decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
459                                                    tcdTyVars = tv_names, 
460                                                    tcdTyPats = ty_pats }))
461   = setSrcSpan loc     $        -- Use the location of the 'deriving' item
462     tcAddDeclCtxt decl $
463     do  { (tvs, tc, tc_args) <- get_lhs ty_pats
464         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
465                                         -- the type variables for the type constructor
466
467     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
468                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
469                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
470
471         -- Given data T a b c = ... deriving( C d ),
472         -- we want to drop type variables from T so that (C d (T a)) is well-kinded
473         ; let cls_tyvars = classTyVars cls
474               kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
475               (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
476               n_args_to_drop = length arg_kinds 
477               n_args_to_keep = tyConArity tc - n_args_to_drop
478               args_to_drop   = drop n_args_to_keep tc_args
479               inst_ty        = mkTyConApp tc (take n_args_to_keep tc_args)
480               inst_ty_kind   = typeKind inst_ty
481               dropped_tvs    = mkVarSet (mapCatMaybes getTyVar_maybe args_to_drop)
482               univ_tvs       = (mkVarSet tvs `extendVarSetList` deriv_tvs)
483                                         `minusVarSet` dropped_tvs
484  
485         -- Check that the result really is well-kinded
486         ; checkTc (n_args_to_keep >= 0 && (inst_ty_kind `eqKind` kind))
487                   (derivingKindErr tc cls cls_tys kind)
488
489         ; checkTc (sizeVarSet dropped_tvs == n_args_to_drop &&           -- (a)
490                    tyVarsOfTypes (inst_ty:cls_tys) `subVarSet` univ_tvs) -- (b)
491                   (derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty)
492                 -- Check that 
493                 --  (a) The data type can be eta-reduced; eg reject:
494                 --              data instance T a a = ... deriving( Monad )
495                 --  (b) The type class args do not mention any of the dropped type
496                 --      variables 
497                 --              newtype T a s = ... deriving( ST s )
498
499         -- Type families can't be partially applied
500         -- e.g.   newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Monad )
501         -- Note [Deriving, type families, and partial applications]
502         ; checkTc (not (isOpenTyCon tc) || n_args_to_drop == 0)
503                   (typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty)
504
505         ; mkEqnHelp DerivOrigin (varSetElems univ_tvs) cls cls_tys inst_ty Nothing } }
506   where
507         -- Tiresomely we must figure out the "lhs", which is awkward for type families
508         -- E.g.   data T a b = .. deriving( Eq )
509         --          Here, the lhs is (T a b)
510         --        data instance TF Int b = ... deriving( Eq )
511         --          Here, the lhs is (TF Int b)
512         -- But if we just look up the tycon_name, we get is the *family*
513         -- tycon, but not pattern types -- they are in the *rep* tycon.
514     get_lhs Nothing     = do { tc <- tcLookupTyCon tycon_name
515                              ; let tvs = tyConTyVars tc
516                              ; return (tvs, tc, mkTyVarTys tvs) }
517     get_lhs (Just pats) = do { let hs_app = nlHsTyConApp tycon_name pats
518                              ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
519                              ; let (tc, tc_args) = tcSplitTyConApp tc_app
520                              ; return (tvs, tc, tc_args) }
521
522 deriveTyData _other
523   = panic "derivTyData" -- Caller ensures that only TyData can happen
524 \end{code}
525
526 Note [Deriving, type families, and partial applications]
527 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
528 When there are no type families, it's quite easy:
529
530     newtype S a = MkS [a]
531     -- :CoS :: S  ~ []  -- Eta-reduced
532
533     instance Eq [a] => Eq (S a)         -- by coercion sym (Eq (coMkS a)) : Eq [a] ~ Eq (S a)
534     instance Monad [] => Monad S        -- by coercion sym (Monad coMkS)  : Monad [] ~ Monad S 
535
536 When type familes are involved it's trickier:
537
538     data family T a b
539     newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Eq, Monad )
540     -- :RT is the representation type for (T Int a)
541     --  :CoF:R1T a :: T Int a ~ :RT a   -- Not eta reduced
542     --  :Co:R1T    :: :RT ~ []          -- Eta-reduced
543
544     instance Eq [a] => Eq (T Int a)     -- easy by coercion
545     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
546
547 The "???" bit is that we don't build the :CoF thing in eta-reduced form
548 Henc the current typeFamilyPapErr, even though the instance makes sense.
549 After all, we can write it out
550     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
551       return x = MkT [x]
552       ... etc ...       
553
554 \begin{code}
555 mkEqnHelp :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class -> [Type] -> Type
556           -> DerivContext       -- Just    => context supplied (standalone deriving)
557                                 -- Nothing => context inferred (deriving on data decl)
558           -> TcRn EarlyDerivSpec
559 -- Make the EarlyDerivSpec for an instance
560 --      forall tvs. theta => cls (tys ++ [ty])
561 -- where the 'theta' is optional (that's the Maybe part)
562 -- Assumes that this declaration is well-kinded
563
564 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app mtheta
565   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
566   , isAlgTyCon tycon    -- Check for functions, primitive types etc
567   = do  { (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupFamInstExact tycon tc_args
568                   -- Be careful to test rep_tc here: in the case of families, 
569                   -- we want to check the instance tycon, not the family tycon
570
571         -- For standalone deriving (mtheta /= Nothing), 
572         -- check that all the data constructors are in scope.
573         -- No need for this when deriving Typeable, becuase we don't need
574         -- the constructors for that.
575         ; rdr_env <- getGlobalRdrEnv
576         ; let hidden_data_cons = isAbstractTyCon rep_tc || any not_in_scope (tyConDataCons rep_tc)
577               not_in_scope dc  = null (lookupGRE_Name rdr_env (dataConName dc))
578         ; checkTc (isNothing mtheta || 
579                    not hidden_data_cons ||
580                    className cls `elem` typeableClassNames) 
581                   (derivingHiddenErr tycon)
582
583         ; dflags <- getDOpts
584         ; if isDataTyCon rep_tc then
585                 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
586                               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
587           else
588                 mkNewTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys 
589                              tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta }
590   | otherwise
591   = failWithTc (derivingThingErr False cls cls_tys tc_app
592                (ptext (sLit "The last argument of the instance must be a data or newtype application")))
593 \end{code}
594
595 Note [Looking up family instances for deriving]
596 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
597 tcLookupFamInstExact is an auxiliary lookup wrapper which requires
598 that looked-up family instances exist.  If called with a vanilla
599 tycon, the old type application is simply returned.
600
601 If we have
602   data instance F () = ... deriving Eq
603   data instance F () = ... deriving Eq
604 then tcLookupFamInstExact will be confused by the two matches;
605 but that can't happen because tcInstDecls1 doesn't call tcDeriving
606 if there are any overlaps.
607
608 There are two other things that might go wrong with the lookup.
609 First, we might see a standalone deriving clause
610         deriving Eq (F ())
611 when there is no data instance F () in scope. 
612
613 Note that it's OK to have
614   data instance F [a] = ...
615   deriving Eq (F [(a,b)])
616 where the match is not exact; the same holds for ordinary data types
617 with standalone deriving declrations.
618
619 \begin{code}
620 tcLookupFamInstExact :: TyCon -> [Type] -> TcM (TyCon, [Type])
621 tcLookupFamInstExact tycon tys
622   | not (isOpenTyCon tycon)
623   = return (tycon, tys)
624   | otherwise
625   = do { maybeFamInst <- tcLookupFamInst tycon tys
626        ; case maybeFamInst of
627            Nothing      -> famInstNotFound tycon tys
628            Just famInst -> return famInst
629        }
630
631 famInstNotFound :: TyCon -> [Type] -> TcM a
632 famInstNotFound tycon tys 
633   = failWithTc (ptext (sLit "No family instance for")
634                         <+> quotes (pprTypeApp tycon tys))
635 \end{code}
636
637
638 %************************************************************************
639 %*                                                                      *
640                 Deriving data types
641 %*                                                                      *
642 %************************************************************************
643
644 \begin{code}
645 mkDataTypeEqn :: InstOrigin
646               -> DynFlags
647               -> [Var]                  -- Universally quantified type variables in the instance
648               -> Class                  -- Class for which we need to derive an instance
649               -> [Type]                 -- Other parameters to the class except the last
650               -> TyCon                  -- Type constructor for which the instance is requested 
651                                         --    (last parameter to the type class)
652               -> [Type]                 -- Parameters to the type constructor
653               -> TyCon                  -- rep of the above (for type families)
654               -> [Type]                 -- rep of the above
655               -> DerivContext        -- Context of the instance, for standalone deriving
656               -> TcRn EarlyDerivSpec    -- Return 'Nothing' if error
657
658 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
659               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
660   = case checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tc of
661         -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
662         CanDerive               -> go_for_it
663         NonDerivableClass       -> bale_out (nonStdErr cls)
664         DerivableClassError msg -> bale_out msg
665   where
666     go_for_it    = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
667     bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr False cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) msg)
668
669 mk_data_eqn, mk_typeable_eqn
670    :: InstOrigin -> [TyVar] -> Class 
671    -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> DerivContext
672    -> TcM EarlyDerivSpec
673 mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
674   | getName cls `elem` typeableClassNames
675   = mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
676
677   | otherwise
678   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
679         ; loc <- getSrcSpanM
680         ; let inst_tys = [mkTyConApp tycon tc_args]
681               inferred_constraints = inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
682               spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
683                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = tvs 
684                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
685                         , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
686                         , ds_theta =  mtheta `orElse` inferred_constraints
687                         , ds_newtype = False }
688
689         ; return (if isJust mtheta then Right spec      -- Specified context
690                                    else Left spec) }    -- Infer context
691
692 mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
693         -- The Typeable class is special in several ways
694         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
695         -- gives
696         --        instance Typeable2 T where ...
697         -- Notice that:
698         -- 1. There are no constraints in the instance
699         -- 2. There are no type variables either
700         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
701         --      Typeable; it depends on the arity of the type
702   | isNothing mtheta    -- deriving on a data type decl
703   = do  { checkTc (cls `hasKey` typeableClassKey)
704                   (ptext (sLit "Use deriving( Typeable ) on a data type declaration"))
705         ; real_cls <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
706         ; mk_typeable_eqn orig tvs real_cls tycon [] rep_tc [] (Just []) }
707
708   | otherwise           -- standaone deriving
709   = do  { checkTc (null tc_args)
710                   (ptext (sLit "Derived typeable instance must be of form (Typeable") 
711                         <> int (tyConArity tycon) <+> ppr tycon <> rparen)
712         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
713         ; loc <- getSrcSpanM
714         ; return (Right $
715                   DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_name = dfun_name, ds_tvs = []
716                      , ds_cls = cls, ds_tys = [mkTyConApp tycon []]
717                      , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
718                      , ds_theta = mtheta `orElse` [], ds_newtype = False })  }
719
720
721 inferConstraints :: [TyVar] -> Class -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> ThetaType
722 -- Generate a sufficiently large set of constraints that typechecking the
723 -- generated method definitions should succeed.   This set will be simplified
724 -- before being used in the instance declaration
725 inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
726   = ASSERT2( equalLength rep_tc_tvs all_rep_tc_args, ppr cls <+> ppr rep_tc )
727     stupid_constraints ++ extra_constraints
728     ++ sc_constraints ++ con_arg_constraints
729   where
730        -- Constraints arising from the arguments of each constructor
731     con_arg_constraints
732       = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
733         | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
734           arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
735                         get_constrained_tys $
736                         dataConInstOrigArgTys data_con all_rep_tc_args,
737           not (isUnLiftedType arg_ty) ]
738                 -- No constraints for unlifted types
739                 -- Where they are legal we generate specilised function calls
740
741                 -- For functor-like classes, two things are different
742                 -- (a) We recurse over argument types to generate constraints
743                 --     See Functor examples in TcGenDeriv
744                 -- (b) The rep_tc_args will be one short
745     is_functor_like = getUnique cls `elem` functorLikeClassKeys
746
747     get_constrained_tys :: [Type] -> [Type]
748     get_constrained_tys tys 
749         | is_functor_like = concatMap (deepSubtypesContaining last_tv) tys
750         | otherwise       = tys
751
752     rep_tc_tvs = tyConTyVars rep_tc
753     last_tv = last rep_tc_tvs
754     all_rep_tc_args | is_functor_like = rep_tc_args ++ [mkTyVarTy last_tv]
755                     | otherwise       = rep_tc_args
756
757         -- Constraints arising from superclasses
758         -- See Note [Superclasses of derived instance]
759     sc_constraints = substTheta (zipOpenTvSubst (classTyVars cls) inst_tys)
760                                 (classSCTheta cls)
761
762         -- Stupid constraints
763     stupid_constraints = substTheta subst (tyConStupidTheta rep_tc)
764     subst = zipTopTvSubst rep_tc_tvs all_rep_tc_args
765               
766         -- Extra constraints
767         -- The Data class (only) requires that for 
768         --    instance (...) => Data (T a b) 
769         -- then (Data a, Data b) are among the (...) constraints
770         -- Reason: that's what you need to typecheck the method
771         --             dataCast1 f = gcast1 f
772     extra_constraints 
773       | cls `hasKey` dataClassKey = [mkClassPred cls [mkTyVarTy tv] | tv <- tvs]
774       | otherwise                 = []
775
776 ------------------------------------------------------------------
777 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
778 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
779 --
780 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
781 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
782 -- family tycon (with indexes) in error messages.
783
784 data DerivStatus = CanDerive
785                  | DerivableClassError SDoc     -- Standard class, but can't do it
786                  | NonDerivableClass            -- Non-standard class
787
788 checkSideConditions :: DynFlags -> DerivContext -> Class -> [TcType] -> TyCon -> DerivStatus
789 checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tc
790   | Just cond <- sideConditions mtheta cls
791   = case (cond (dflags, rep_tc)) of
792         Just err -> DerivableClassError err     -- Class-specific error
793         Nothing  | null cls_tys -> CanDerive    -- All derivable classes are unary, so
794                                                 -- cls_tys (the type args other than last) 
795                                                 -- should be null
796                  | otherwise    -> DerivableClassError ty_args_why      -- e.g. deriving( Eq s )
797   | otherwise = NonDerivableClass       -- Not a standard class
798   where
799     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "is not a class")
800
801 nonStdErr :: Class -> SDoc
802 nonStdErr cls = quotes (ppr cls) <+> ptext (sLit "is not a derivable class")
803
804 sideConditions :: DerivContext -> Class -> Maybe Condition
805 sideConditions mtheta cls
806   | cls_key == eqClassKey          = Just cond_std
807   | cls_key == ordClassKey         = Just cond_std
808   | cls_key == showClassKey        = Just cond_std
809   | cls_key == readClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
810   | cls_key == enumClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_isEnumeration)
811   | cls_key == ixClassKey          = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
812   | cls_key == boundedClassKey     = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
813   | cls_key == dataClassKey        = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` 
814                                            cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
815   | cls_key == functorClassKey     = Just (checkFlag Opt_DeriveFunctor `andCond`
816                                            cond_functorOK True)  -- NB: no cond_std!
817   | cls_key == foldableClassKey    = Just (checkFlag Opt_DeriveFoldable `andCond`
818                                            cond_functorOK False) -- Functor/Fold/Trav works ok for rank-n types
819   | cls_key == traversableClassKey = Just (checkFlag Opt_DeriveTraversable `andCond`
820                                            cond_functorOK False)
821   | getName cls `elem` typeableClassNames = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` cond_typeableOK)
822   | otherwise = Nothing
823   where
824     cls_key = getUnique cls
825     cond_std = cond_stdOK mtheta
826
827 type Condition = (DynFlags, TyCon) -> Maybe SDoc
828         -- first Bool is whether or not we are allowed to derive Data and Typeable
829         -- second Bool is whether or not we are allowed to derive Functor
830         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
831         --      data type is an indexed one
832         -- Nothing => OK
833
834 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
835 orCond c1 c2 tc 
836   = case c1 tc of
837         Nothing -> Nothing              -- c1 succeeds
838         Just x  -> case c2 tc of        -- c1 fails
839                      Nothing -> Nothing
840                      Just y  -> Just (x $$ ptext (sLit "  and") $$ y)
841                                         -- Both fail
842
843 andCond :: Condition -> Condition -> Condition
844 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
845                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
846                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
847
848 cond_stdOK :: DerivContext -> Condition
849 cond_stdOK (Just _) _
850   = Nothing     -- Don't check these conservative conditions for
851                 -- standalone deriving; just generate the code
852 cond_stdOK Nothing (_, rep_tc)
853   | null data_cons      = Just (no_cons_why $$ suggestion)
854   | not (null con_whys) = Just (vcat con_whys $$ suggestion)
855   | otherwise           = Nothing
856   where
857     suggestion  = ptext (sLit "Possible fix: use a standalone deriving declaration instead")
858     data_cons   = tyConDataCons rep_tc
859     no_cons_why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
860                   ptext (sLit "has no data constructors")
861
862     con_whys = mapCatMaybes check_con data_cons
863
864     check_con :: DataCon -> Maybe SDoc
865     check_con con 
866       | isVanillaDataCon con
867       , all isTauTy (dataConOrigArgTys con) = Nothing
868       | otherwise = Just (badCon con (ptext (sLit "does not have a Haskell-98 type")))
869   
870 cond_enumOrProduct :: Condition
871 cond_enumOrProduct = cond_isEnumeration `orCond` 
872                        (cond_isProduct `andCond` cond_noUnliftedArgs)
873
874 cond_noUnliftedArgs :: Condition
875 -- For some classes (eg Eq, Ord) we allow unlifted arg types
876 -- by generating specilaised code.  For others (eg Data) we don't.
877 cond_noUnliftedArgs (_, tc)
878   | null bad_cons = Nothing
879   | otherwise     = Just why
880   where
881     bad_cons = [ con | con <- tyConDataCons tc
882                      , any isUnLiftedType (dataConOrigArgTys con) ]
883     why = badCon (head bad_cons) (ptext (sLit "has arguments of unlifted type"))
884
885 cond_isEnumeration :: Condition
886 cond_isEnumeration (_, rep_tc)
887   | isEnumerationTyCon rep_tc = Nothing
888   | otherwise                 = Just why
889   where
890     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
891           ptext (sLit "has non-nullary constructors")
892
893 cond_isProduct :: Condition
894 cond_isProduct (_, rep_tc)
895   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
896   | otherwise             = Just why
897   where
898     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
899           ptext (sLit "has more than one constructor")
900
901 cond_typeableOK :: Condition
902 -- OK for Typeable class
903 -- Currently: (a) args all of kind *
904 --            (b) 7 or fewer args
905 cond_typeableOK (_, rep_tc)
906   | tyConArity rep_tc > 7       = Just too_many
907   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars rep_tc)) 
908                                 = Just bad_kind
909   | isFamInstTyCon rep_tc       = Just fam_inst  -- no Typable for family insts
910   | otherwise                   = Nothing
911   where
912     too_many = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
913                ptext (sLit "has too many arguments")
914     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
915                ptext (sLit "has arguments of kind other than `*'")
916     fam_inst = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
917                ptext (sLit "is a type family")
918
919
920 functorLikeClassKeys :: [Unique]
921 functorLikeClassKeys = [functorClassKey, foldableClassKey, traversableClassKey]
922
923 cond_functorOK :: Bool -> Condition
924 -- OK for Functor class
925 -- Currently: (a) at least one argument
926 --            (b) don't use argument contravariantly
927 --            (c) don't use argument in the wrong place, e.g. data T a = T (X a a)
928 --            (d) optionally: don't use function types
929 cond_functorOK allowFunctions (dflags, rep_tc) 
930   | not (dopt Opt_DeriveFunctor dflags)
931   = Just (ptext (sLit "You need -XDeriveFunctor to derive an instance for this class"))
932   | otherwise
933   = msum (map check_con data_cons)      -- msum picks the first 'Just', if any
934   where
935     data_cons = tyConDataCons rep_tc
936     check_con con = msum (check_vanilla con : foldDataConArgs (ft_check con) con)
937
938     check_vanilla :: DataCon -> Maybe SDoc
939     check_vanilla con | isVanillaDataCon con = Nothing
940                       | otherwise            = Just (badCon con existential)
941
942     ft_check :: DataCon -> FFoldType (Maybe SDoc)
943     ft_check con = FT { ft_triv = Nothing, ft_var = Nothing
944                       , ft_co_var = Just (badCon con covariant)
945                       , ft_fun = \x y -> if allowFunctions then x `mplus` y 
946                                                            else Just (badCon con functions)
947                       , ft_tup = \_ xs  -> msum xs
948                       , ft_ty_app = \_ x   -> x
949                       , ft_bad_app = Just (badCon con wrong_arg)
950                       , ft_forall = \_ x   -> x }
951                     
952     existential = ptext (sLit "has existential arguments")
953     covariant   = ptext (sLit "uses the type variable in a function argument")
954     functions   = ptext (sLit "contains function types")
955     wrong_arg   = ptext (sLit "uses the type variable in an argument other than the last")
956
957 checkFlag :: DynFlag -> Condition
958 checkFlag flag (dflags, _)
959   | dopt flag dflags = Nothing
960   | otherwise        = Just why
961   where
962     why = ptext (sLit "You need -X") <> text flag_str 
963           <+> ptext (sLit "to derive an instance for this class")
964     flag_str = case [ s | (s, f, _) <- xFlags, f==flag ] of
965                  [s]   -> s
966                  other -> pprPanic "checkFlag" (ppr other)
967
968 std_class_via_iso :: Class -> Bool
969 std_class_via_iso clas  -- These standard classes can be derived for a newtype
970                         -- using the isomorphism trick *even if no -fglasgow-exts*
971   = classKey clas `elem` [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
972         -- Not Read/Show because they respect the type
973         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
974
975
976 new_dfun_name :: Class -> TyCon -> TcM Name
977 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
978   = do { loc <- getSrcSpanM     -- The location of the instance decl, not of the tycon
979         ; newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] loc }
980         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
981         -- a suitable string; hence the empty type arg list
982
983 badCon :: DataCon -> SDoc -> SDoc
984 badCon con msg = ptext (sLit "Constructor") <+> quotes (ppr con) <+> msg
985 \end{code}
986
987 Note [Superclasses of derived instance] 
988 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
989 In general, a derived instance decl needs the superclasses of the derived
990 class too.  So if we have
991         data T a = ...deriving( Ord )
992 then the initial context for Ord (T a) should include Eq (T a).  Often this is 
993 redundant; we'll also generate an Ord constraint for each constructor argument,
994 and that will probably generate enough constraints to make the Eq (T a) constraint 
995 be satisfied too.  But not always; consider:
996
997  data S a = S
998  instance Eq (S a)
999  instance Ord (S a)
1000
1001  data T a = MkT (S a) deriving( Ord )
1002  instance Num a => Eq (T a)
1003
1004 The derived instance for (Ord (T a)) must have a (Num a) constraint!
1005 Similarly consider:
1006         data T a = MkT deriving( Data, Typeable )
1007 Here there *is* no argument field, but we must nevertheless generate
1008 a context for the Data instances:
1009         instance Typable a => Data (T a) where ...
1010
1011
1012 %************************************************************************
1013 %*                                                                      *
1014                 Deriving newtypes
1015 %*                                                                      *
1016 %************************************************************************
1017
1018 \begin{code}
1019 mkNewTypeEqn :: InstOrigin -> DynFlags -> [Var] -> Class
1020              -> [Type] -> TyCon -> [Type] -> TyCon -> [Type]
1021              -> DerivContext
1022              -> TcRn EarlyDerivSpec
1023 mkNewTypeEqn orig dflags tvs
1024              cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1025 -- Want: instance (...) => cls (cls_tys ++ [tycon tc_args]) where ...
1026   | can_derive_via_isomorphism && (newtype_deriving || std_class_via_iso cls)
1027   = do  { traceTc (text "newtype deriving:" <+> ppr tycon <+> ppr rep_tys)
1028         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
1029         ; loc <- getSrcSpanM
1030         ; let spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
1031                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = varSetElems dfun_tvs 
1032                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
1033                         , ds_tc = rep_tycon, ds_tc_args = rep_tc_args
1034                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_preds
1035                         , ds_newtype = True }
1036         ; return (if isJust mtheta then Right spec
1037                                    else Left spec) }
1038
1039   | otherwise
1040   = case checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tycon of
1041       CanDerive               -> go_for_it      -- Use the standard H98 method
1042       DerivableClassError msg -> bale_out msg   -- Error with standard class
1043       NonDerivableClass         -- Must use newtype deriving
1044         | newtype_deriving    -> bale_out cant_derive_err  -- Too hard, even with newtype deriving
1045         | otherwise           -> bale_out non_std_err      -- Try newtype deriving!
1046   where
1047         newtype_deriving = dopt Opt_GeneralizedNewtypeDeriving dflags
1048         go_for_it        = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1049         bale_out msg     = failWithTc (derivingThingErr newtype_deriving cls cls_tys inst_ty msg)
1050
1051         non_std_err = nonStdErr cls $$
1052                       ptext (sLit "Try -XGeneralizedNewtypeDeriving for GHC's newtype-deriving extension")
1053
1054         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
1055         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
1056         -- where t is a type,
1057         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
1058         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
1059         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
1060         --                      with the last parameter missing
1061         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
1062         --              (and hence so does t)
1063         -- The latter kind-check has been done by deriveTyData already,
1064         -- and tc_args are already trimmed
1065         --
1066         -- We generate the instance
1067         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
1068         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
1069         -- where T a1...ap is the partial application of 
1070         --       the LHS of the correct kind and p >= k
1071         --
1072         --      NB: the variables below are:
1073         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
1074         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
1075         --              rep_ty = t ak .. an
1076         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
1077         --              tys = [s1, ..., sm]
1078         --              rep_fn' = t
1079         --
1080         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
1081         -- We generate the instance
1082         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
1083
1084         nt_eta_arity = length (fst (newTyConEtadRhs rep_tycon))
1085                 -- For newtype T a b = MkT (S a a b), the TyCon machinery already
1086                 -- eta-reduces the representation type, so we know that
1087                 --      T a ~ S a a
1088                 -- That's convenient here, because we may have to apply
1089                 -- it to fewer than its original complement of arguments
1090
1091         -- Note [Newtype representation]
1092         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1093         -- Need newTyConRhs (*not* a recursive representation finder) 
1094         -- to get the representation type. For example
1095         --      newtype B = MkB Int
1096         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
1097         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
1098         -- when making the Num instance of A!
1099         rep_inst_ty = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
1100         rep_tys     = cls_tys ++ [rep_inst_ty]
1101         rep_pred    = mkClassPred cls rep_tys
1102                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
1103                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
1104                 -- dictionary 
1105
1106
1107     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
1108     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
1109
1110         cls_tyvars = classTyVars cls
1111         dfun_tvs = tyVarsOfTypes inst_tys
1112         inst_ty = mkTyConApp tycon tc_args
1113         inst_tys = cls_tys ++ [inst_ty]
1114         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
1115                               (classSCTheta cls)
1116
1117                 -- If there are no tyvars, there's no need
1118                 -- to abstract over the dictionaries we need
1119                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
1120                 -- We get the derived instance
1121                 --              instance C T
1122                 -- rather than
1123                 --              instance C Int => C T
1124         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
1125
1126         -------------------------------------------------------------------
1127         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
1128
1129         can_derive_via_isomorphism
1130            =  not (non_iso_class cls)
1131            && arity_ok
1132            && eta_ok
1133            && ats_ok
1134 --         && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Note [Recursive newtypes]
1135
1136                 -- Never derive Read,Show,Typeable,Data by isomorphism
1137         non_iso_class cls = className cls `elem` ([readClassName, showClassName, dataClassName] ++
1138                                                   typeableClassNames)
1139
1140         arity_ok = length cls_tys + 1 == classArity cls
1141                 -- Well kinded; eg not: newtype T ... deriving( ST )
1142                 --                      because ST needs *2* type params
1143
1144         -- Check that eta reduction is OK
1145         eta_ok = nt_eta_arity <= length rep_tc_args
1146                 -- The newtype can be eta-reduced to match the number
1147                 --     of type argument actually supplied
1148                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
1149                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
1150                 --     And the [a] must not mention 'b'.  That's all handled
1151                 --     by nt_eta_rity.
1152
1153         ats_ok = null (classATs cls)    
1154                -- No associated types for the class, because we don't 
1155                -- currently generate type 'instance' decls; and cannot do
1156                -- so for 'data' instance decls
1157                                          
1158         cant_derive_err
1159            = vcat [ ppUnless arity_ok arity_msg
1160                   , ppUnless eta_ok eta_msg
1161                   , ppUnless ats_ok ats_msg ]
1162         arity_msg = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "does not have arity 1")
1163         eta_msg   = ptext (sLit "cannot eta-reduce the representation type enough")
1164         ats_msg   = ptext (sLit "the class has associated types")
1165 \end{code}
1166
1167 Note [Recursive newtypes]
1168 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1169 Newtype deriving works fine, even if the newtype is recursive.
1170 e.g.    newtype S1 = S1 [T1 ()]
1171         newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
1172 Remember, too, that type families are curretly (conservatively) given
1173 a recursive flag, so this also allows newtype deriving to work
1174 for type famillies.
1175
1176 We used to exclude recursive types, because we had a rather simple
1177 minded way of generating the instance decl:
1178    newtype A = MkA [A]
1179    instance Eq [A] => Eq A      -- Makes typechecker loop!
1180 But now we require a simple context, so it's ok.
1181
1182
1183 %************************************************************************
1184 %*                                                                      *
1185 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
1186 %*                                                                      *
1187 %************************************************************************
1188
1189 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
1190 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
1191 equation.
1192 \begin{itemize}
1193 \item
1194 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
1195 variable, tv.
1196
1197 \item
1198 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
1199 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
1200 (minor key)
1201 \end{itemize}
1202
1203 \begin{code}
1204 inferInstanceContexts :: OverlapFlag -> [DerivSpec] -> TcM [DerivSpec]
1205
1206 inferInstanceContexts _ [] = return []
1207
1208 inferInstanceContexts oflag infer_specs
1209   = do  { traceTc (text "inferInstanceContexts" <+> vcat (map pprDerivSpec infer_specs))
1210         ; iterate_deriv 1 initial_solutions }
1211   where
1212     ------------------------------------------------------------------
1213         -- The initial solutions for the equations claim that each
1214         -- instance has an empty context; this solution is certainly
1215         -- in canonical form.
1216     initial_solutions :: [ThetaType]
1217     initial_solutions = [ [] | _ <- infer_specs ]
1218
1219     ------------------------------------------------------------------
1220         -- iterate_deriv calculates the next batch of solutions,
1221         -- compares it with the current one; finishes if they are the
1222         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
1223         -- It fails if any iteration fails
1224     iterate_deriv :: Int -> [ThetaType] -> TcM [DerivSpec]
1225     iterate_deriv n current_solns
1226       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
1227                 -- This can happen if we have -XUndecidableInstances
1228                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
1229       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
1230                  (vcat (map pprDerivSpec infer_specs) $$ ppr current_solns)
1231       | otherwise
1232       = do {      -- Extend the inst info from the explicit instance decls
1233                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
1234              let inst_specs = zipWithEqual "add_solns" (mkInstance oflag)
1235                                            current_solns infer_specs
1236            ; new_solns <- checkNoErrs $
1237                           extendLocalInstEnv inst_specs $
1238                           mapM gen_soln infer_specs
1239
1240            ; if (current_solns == new_solns) then
1241                 return [ spec { ds_theta = soln } 
1242                        | (spec, soln) <- zip infer_specs current_solns ]
1243              else
1244                 iterate_deriv (n+1) new_solns }
1245
1246     ------------------------------------------------------------------
1247     gen_soln :: DerivSpec  -> TcM [PredType]
1248     gen_soln (DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_tvs = tyvars 
1249                  , ds_cls = clas, ds_tys = inst_tys, ds_theta = deriv_rhs })
1250       = setSrcSpan loc  $
1251         addErrCtxt (derivInstCtxt clas inst_tys) $ 
1252         do { theta <- tcSimplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
1253                 -- checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1254                 -- Not necessary; see Note [Exotic derived instance contexts]
1255                 --                in TcSimplify
1256
1257                   -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1258                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1259                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1260                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1261                   -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
1262            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
1263                  weird_preds = [pred | pred <- theta, not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
1264            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
1265
1266                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
1267                 -- Hence no need to call:
1268                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1269            ; return (sortLe (<=) theta) }       -- Canonicalise before returning the solution
1270
1271 ------------------------------------------------------------------
1272 mkInstance :: OverlapFlag -> ThetaType -> DerivSpec -> Instance
1273 mkInstance overlap_flag theta
1274             (DS { ds_name = dfun_name
1275                 , ds_tvs = tyvars, ds_cls = clas, ds_tys = tys })
1276   = mkLocalInstance dfun overlap_flag
1277   where
1278     dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas tys
1279
1280
1281 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
1282 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
1283 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
1284 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
1285  = do { env <- getGblEnv
1286       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
1287              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
1288       ; setGblEnv env' thing_inside }
1289 \end{code}
1290
1291
1292 %************************************************************************
1293 %*                                                                      *
1294 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
1295 %*                                                                      *
1296 %************************************************************************
1297
1298 After all the trouble to figure out the required context for the
1299 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
1300 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
1301 will do all its usual business.
1302
1303 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
1304 various general remarks.
1305
1306 PRINCIPLES:
1307 \begin{itemize}
1308 \item
1309 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
1310 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
1311
1312 \item
1313 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
1314
1315 \item
1316 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
1317 \end{itemize}
1318
1319 PRAGMATICS:
1320
1321 \begin{itemize}
1322 \item
1323 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
1324
1325 \item
1326 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
1327
1328 \item
1329 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
1330 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
1331
1332 \item
1333 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
1334 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
1335 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
1336 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
1337
1338 The examples under the different sections below will make this
1339 clearer.
1340
1341 \item
1342 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
1343 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
1344
1345 \item
1346 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
1347 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
1348 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
1349 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
1350 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
1351 the renamer.  What a great hack!
1352 \end{itemize}
1353
1354 \begin{code}
1355 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
1356 --   *representation* tycon for that instance,
1357 -- plus any auxiliary bindings required
1358 --
1359 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
1360 -- case of instances for indexed families.
1361 --
1362 genInst :: Bool         -- True <=> standalone deriving
1363         -> OverlapFlag
1364         -> DerivSpec -> TcM (InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)
1365 genInst standalone_deriv oflag spec
1366   | ds_newtype spec
1367   = return (InstInfo { iSpec  = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1368                      , iBinds = NewTypeDerived co }, [])
1369
1370   | otherwise
1371   = do  { let loc  = getSrcSpan (ds_name spec)
1372               inst = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1373               clas = ds_cls spec
1374
1375           -- In case of a family instance, we need to use the representation
1376           -- tycon (after all, it has the data constructors)
1377         ; fix_env <- getFixityEnv
1378         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds loc fix_env clas rep_tycon
1379               binds = VanillaInst meth_binds [] standalone_deriv
1380         ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds }, aux_binds)
1381         }
1382   where
1383     rep_tycon   = ds_tc spec
1384     rep_tc_args = ds_tc_args spec
1385     co1 = case tyConFamilyCoercion_maybe rep_tycon of
1386               Nothing     -> IdCo
1387               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1388     co2 = case newTyConCo_maybe rep_tycon of
1389               Nothing     -> IdCo       -- The newtype is transparent; no need for a cast
1390               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1391     co = co1 `mkTransCoI` co2
1392
1393 -- Example: newtype instance N [a] = N1 (Tree a) 
1394 --          deriving instance Eq b => Eq (N [(b,b)])
1395 -- From the instance, we get an implicit newtype R1:N a = N1 (Tree a)
1396 -- When dealing with the deriving clause
1397 --    co1 : N [(b,b)] ~ R1:N (b,b)
1398 --    co2 : R1:N (b,b) ~ Tree (b,b)
1399 --    co  : N [(b,b)] ~ Tree (b,b)
1400
1401 genDerivBinds :: SrcSpan -> FixityEnv -> Class -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds)
1402 genDerivBinds loc fix_env clas tycon
1403   | className clas `elem` typeableClassNames
1404   = (gen_Typeable_binds loc tycon, [])
1405
1406   | otherwise
1407   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
1408         Just gen_fn -> gen_fn loc tycon
1409         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
1410   where
1411     gen_list :: [(Unique, SrcSpan -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds))]
1412     gen_list = [(eqClassKey,       gen_Eq_binds)
1413                ,(ordClassKey,      gen_Ord_binds)
1414                ,(enumClassKey,     gen_Enum_binds)
1415                ,(boundedClassKey,  gen_Bounded_binds)
1416                ,(ixClassKey,       gen_Ix_binds)
1417                ,(showClassKey,     gen_Show_binds fix_env)
1418                ,(readClassKey,     gen_Read_binds fix_env)
1419                ,(dataClassKey,     gen_Data_binds)
1420                ,(functorClassKey,  gen_Functor_binds)
1421                ,(foldableClassKey, gen_Foldable_binds)
1422                ,(traversableClassKey, gen_Traversable_binds)
1423                ]
1424 \end{code}
1425
1426
1427 %************************************************************************
1428 %*                                                                      *
1429 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1430 %*                                                                      *
1431 %************************************************************************
1432
1433 \begin{code}
1434 derivingKindErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Kind -> Message
1435 derivingKindErr tc cls cls_tys cls_kind
1436   = hang (ptext (sLit "Cannot derive well-kinded instance of form")
1437                 <+> quotes (pprClassPred cls cls_tys <+> parens (ppr tc <+> ptext (sLit "..."))))
1438        2 (ptext (sLit "Class") <+> quotes (ppr cls)
1439             <+> ptext (sLit "expects an argument of kind") <+> quotes (pprKind cls_kind))
1440
1441 derivingEtaErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message
1442 derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty
1443   = sep [ptext (sLit "Cannot eta-reduce to an instance of form"),
1444          nest 2 (ptext (sLit "instance (...) =>")
1445                 <+> pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty]))]
1446
1447 typeFamilyPapErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Type -> Message
1448 typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty
1449   = hang (ptext (sLit "Derived instance") <+> quotes (pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty])))
1450        2 (ptext (sLit "requires illegal partial application of data type family") <+> ppr tc) 
1451
1452 derivingThingErr :: Bool -> Class -> [Type] -> Type -> Message -> Message
1453 derivingThingErr newtype_deriving clas tys ty why
1454   = sep [(hang (ptext (sLit "Can't make a derived instance of"))
1455              2 (quotes (ppr pred)) 
1456           $$ nest 2 extra) <> colon,
1457          nest 2 why]
1458   where
1459     extra | newtype_deriving = ptext (sLit "(even with cunning newtype deriving)")
1460           | otherwise        = empty
1461     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1462
1463 derivingHiddenErr :: TyCon -> SDoc
1464 derivingHiddenErr tc
1465   = hang (ptext (sLit "The data constructors of") <+> quotes (ppr tc) <+> ptext (sLit "are not all in scope"))
1466        2 (ptext (sLit "so you cannot derive an instance for it"))
1467
1468 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1469 standaloneCtxt ty = hang (ptext (sLit "In the stand-alone deriving instance for")) 
1470                        2 (quotes (ppr ty))
1471
1472 derivInstCtxt :: Class -> [Type] -> Message
1473 derivInstCtxt clas inst_tys
1474   = ptext (sLit "When deriving the instance for") <+> parens (pprClassPred clas inst_tys)
1475
1476 badDerivedPred :: PredType -> Message
1477 badDerivedPred pred
1478   = vcat [ptext (sLit "Can't derive instances where the instance context mentions"),
1479           ptext (sLit "type variables that are not data type parameters"),
1480           nest 2 (ptext (sLit "Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1481 \end{code}