Deriving Typeable changes
[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
72 \begin{code}
73 -- DerivSpec is purely  local to this module
74 data DerivSpec  = DS { ds_loc     :: SrcSpan 
75                      , ds_orig    :: CtOrigin 
76                      , ds_name    :: Name
77                      , ds_tvs     :: [TyVar] 
78                      , ds_theta   :: ThetaType
79                      , ds_cls     :: Class
80                      , ds_tys     :: [Type]
81                      , ds_tc      :: TyCon
82                      , ds_tc_args :: [Type]
83                      , ds_newtype :: Bool }
84         -- This spec implies a dfun declaration of the form
85         --       df :: forall tvs. theta => C tys
86         -- The Name is the name for the DFun we'll build
87         -- The tyvars bind all the variables in the theta
88         -- For type families, the tycon in 
89         --       in ds_tys is the *family* tycon
90         --       in ds_tc, ds_tc_args is the *representation* tycon
91         -- For non-family tycons, both are the same
92
93         -- ds_newtype = True  <=> Newtype deriving
94         --              False <=> Vanilla deriving
95 \end{code}
96
97 Example:
98
99      newtype instance T [a] = MkT (Tree a) deriving( C s )
100 ==>  
101      axiom T [a] = :RTList a
102      axiom :RTList a = Tree a
103
104      DS { ds_tvs = [a,s], ds_cls = C, ds_tys = [s, T [a]]
105         , ds_tc = :RTList, ds_tc_args = [a]
106         , ds_newtype = True }
107
108 \begin{code}
109 type DerivContext = Maybe ThetaType
110    -- Nothing    <=> Vanilla deriving; infer the context of the instance decl
111    -- Just theta <=> Standalone deriving: context supplied by programmer
112
113 type EarlyDerivSpec = Either DerivSpec DerivSpec
114         -- Left  ds => the context for the instance should be inferred
115         --             In this case ds_theta is the list of all the 
116         --                constraints needed, such as (Eq [a], Eq a)
117         --                The inference process is to reduce this to a 
118         --                simpler form (e.g. Eq a)
119         -- 
120         -- Right ds => the exact context for the instance is supplied 
121         --             by the programmer; it is ds_theta
122
123 pprDerivSpec :: DerivSpec -> SDoc
124 pprDerivSpec (DS { ds_loc = l, ds_name = n, ds_tvs = tvs, 
125                    ds_cls = c, ds_tys = tys, ds_theta = rhs })
126   = parens (hsep [ppr l, ppr n, ppr tvs, ppr c, ppr tys]
127             <+> equals <+> ppr rhs)
128 \end{code}
129
130
131 Inferring missing contexts 
132 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
133 Consider
134
135         data T a b = C1 (Foo a) (Bar b)
136                    | C2 Int (T b a)
137                    | C3 (T a a)
138                    deriving (Eq)
139
140 [NOTE: See end of these comments for what to do with 
141         data (C a, D b) => T a b = ...
142 ]
143
144 We want to come up with an instance declaration of the form
145
146         instance (Ping a, Pong b, ...) => Eq (T a b) where
147                 x == y = ...
148
149 It is pretty easy, albeit tedious, to fill in the code "...".  The
150 trick is to figure out what the context for the instance decl is,
151 namely @Ping@, @Pong@ and friends.
152
153 Let's call the context reqd for the T instance of class C at types
154 (a,b, ...)  C (T a b).  Thus:
155
156         Eq (T a b) = (Ping a, Pong b, ...)
157
158 Now we can get a (recursive) equation from the @data@ decl:
159
160         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
161                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
162                    u Eq (T a a)                 -- From C3
163
164 Foo and Bar may have explicit instances for @Eq@, in which case we can
165 just substitute for them.  Alternatively, either or both may have
166 their @Eq@ instances given by @deriving@ clauses, in which case they
167 form part of the system of equations.
168
169 Now all we need do is simplify and solve the equations, iterating to
170 find the least fixpoint.  Notice that the order of the arguments can
171 switch around, as here in the recursive calls to T.
172
173 Let's suppose Eq (Foo a) = Eq a, and Eq (Bar b) = Ping b.
174
175 We start with:
176
177         Eq (T a b) = {}         -- The empty set
178
179 Next iteration:
180         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
181                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
182                    u Eq (T a a)                 -- From C3
183
184         After simplification:
185                    = Eq a u Ping b u {} u {} u {}
186                    = Eq a u Ping b
187
188 Next iteration:
189
190         Eq (T a b) = Eq (Foo a) u Eq (Bar b)    -- From C1
191                    u Eq (T b a) u Eq Int        -- From C2
192                    u Eq (T a a)                 -- From C3
193
194         After simplification:
195                    = Eq a u Ping b
196                    u (Eq b u Ping a)
197                    u (Eq a u Ping a)
198
199                    = Eq a u Ping b u Eq b u Ping a
200
201 The next iteration gives the same result, so this is the fixpoint.  We
202 need to make a canonical form of the RHS to ensure convergence.  We do
203 this by simplifying the RHS to a form in which
204
205         - the classes constrain only tyvars
206         - the list is sorted by tyvar (major key) and then class (minor key)
207         - no duplicates, of course
208
209 So, here are the synonyms for the ``equation'' structures:
210
211
212 Note [Data decl contexts]
213 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
214 Consider
215
216         data (RealFloat a) => Complex a = !a :+ !a deriving( Read )
217
218 We will need an instance decl like:
219
220         instance (Read a, RealFloat a) => Read (Complex a) where
221           ...
222
223 The RealFloat in the context is because the read method for Complex is bound
224 to construct a Complex, and doing that requires that the argument type is
225 in RealFloat. 
226
227 But this ain't true for Show, Eq, Ord, etc, since they don't construct
228 a Complex; they only take them apart.
229
230 Our approach: identify the offending classes, and add the data type
231 context to the instance decl.  The "offending classes" are
232
233         Read, Enum?
234
235 FURTHER NOTE ADDED March 2002.  In fact, Haskell98 now requires that
236 pattern matching against a constructor from a data type with a context
237 gives rise to the constraints for that context -- or at least the thinned
238 version.  So now all classes are "offending".
239
240 Note [Newtype deriving]
241 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
242 Consider this:
243     class C a b
244     instance C [a] Char
245     newtype T = T Char deriving( C [a] )
246
247 Notice the free 'a' in the deriving.  We have to fill this out to 
248     newtype T = T Char deriving( forall a. C [a] )
249
250 And then translate it to:
251     instance C [a] Char => C [a] T where ...
252     
253         
254 Note [Newtype deriving superclasses]
255 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
256 (See also Trac #1220 for an interesting exchange on newtype
257 deriving and superclasses.)
258
259 The 'tys' here come from the partial application in the deriving
260 clause. The last arg is the new instance type.
261
262 We must pass the superclasses; the newtype might be an instance
263 of them in a different way than the representation type
264 E.g.            newtype Foo a = Foo a deriving( Show, Num, Eq )
265 Then the Show instance is not done via isomorphism; it shows
266         Foo 3 as "Foo 3"
267 The Num instance is derived via isomorphism, but the Show superclass
268 dictionary must the Show instance for Foo, *not* the Show dictionary
269 gotten from the Num dictionary. So we must build a whole new dictionary
270 not just use the Num one.  The instance we want is something like:
271      instance (Num a, Show (Foo a), Eq (Foo a)) => Num (Foo a) where
272         (+) = ((+)@a)
273         ...etc...
274 There may be a coercion needed which we get from the tycon for the newtype
275 when the dict is constructed in TcInstDcls.tcInstDecl2
276
277
278 Note [Unused constructors and deriving clauses]
279 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
280 See Trac #3221.  Consider
281    data T = T1 | T2 deriving( Show )
282 Are T1 and T2 unused?  Well, no: the deriving clause expands to mention
283 both of them.  So we gather defs/uses from deriving just like anything else.
284
285 %************************************************************************
286 %*                                                                      *
287 \subsection[TcDeriv-driver]{Top-level function for \tr{derivings}}
288 %*                                                                      *
289 %************************************************************************
290
291 \begin{code}
292 tcDeriving  :: [LTyClDecl Name]  -- All type constructors
293             -> [LInstDecl Name]  -- All instance declarations
294             -> [LDerivDecl Name] -- All stand-alone deriving declarations
295             -> TcM ([InstInfo Name],    -- The generated "instance decls"
296                     HsValBinds Name,    -- Extra generated top-level bindings
297                     DefUses)
298
299 tcDeriving tycl_decls inst_decls deriv_decls
300   = recoverM (return ([], emptyValBindsOut, emptyDUs)) $
301     do  {       -- Fish the "deriving"-related information out of the TcEnv
302                 -- And make the necessary "equations".
303           is_boot <- tcIsHsBoot
304         ; traceTc "tcDeriving" (ppr is_boot)
305         ; early_specs <- makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
306
307         ; overlap_flag <- getOverlapFlag
308         ; let (infer_specs, given_specs) = splitEithers early_specs
309         ; insts1 <- mapM (genInst True overlap_flag) given_specs
310
311         ; final_specs <- extendLocalInstEnv (map (iSpec . fst) insts1) $
312                          inferInstanceContexts overlap_flag infer_specs
313
314         ; insts2 <- mapM (genInst False overlap_flag) final_specs
315
316                  -- Generate the generic to/from functions from each type declaration
317         ; gen_binds <- mkGenericBinds is_boot tycl_decls
318         ; (inst_info, rn_binds, rn_dus) <- renameDeriv is_boot gen_binds (insts1 ++ insts2)
319
320         ; dflags <- getDOpts
321         ; liftIO (dumpIfSet_dyn dflags Opt_D_dump_deriv "Derived instances"
322                  (ddump_deriving inst_info rn_binds))
323
324         ; return (inst_info, rn_binds, rn_dus) }
325   where
326     ddump_deriving :: [InstInfo Name] -> HsValBinds Name -> SDoc
327     ddump_deriving inst_infos extra_binds
328       = vcat (map pprInstInfoDetails inst_infos) $$ ppr extra_binds
329
330 renameDeriv :: Bool -> LHsBinds RdrName
331             -> [(InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)]
332             -> TcM ([InstInfo Name], HsValBinds Name, DefUses)
333 renameDeriv is_boot gen_binds insts
334   | is_boot     -- If we are compiling a hs-boot file, don't generate any derived bindings
335                 -- The inst-info bindings will all be empty, but it's easier to
336                 -- just use rn_inst_info to change the type appropriately
337   = do  { (rn_inst_infos, fvs) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos  
338         ; return (rn_inst_infos, emptyValBindsOut, usesOnly (plusFVs fvs)) }
339
340   | otherwise
341   = discardWarnings $    -- Discard warnings about unused bindings etc
342     do  { (rn_gen, dus_gen) <- setOptM Opt_ScopedTypeVariables $  -- Type signatures in patterns 
343                                                                   -- are used in the generic binds
344                                rnTopBinds (ValBindsIn gen_binds [])
345         ; keepAliveSetTc (duDefs dus_gen)       -- Mark these guys to be kept alive
346
347                 -- Generate and rename any extra not-one-inst-decl-specific binds, 
348                 -- notably "con2tag" and/or "tag2con" functions.  
349                 -- Bring those names into scope before renaming the instances themselves
350         ; loc <- getSrcSpanM    -- Generic loc for shared bindings
351         ; let (aux_binds, aux_sigs) = unzip $ map (genAuxBind loc) $ 
352                                       rm_dups [] $ concat deriv_aux_binds
353               aux_val_binds = ValBindsIn (listToBag aux_binds) aux_sigs
354         ; rn_aux_lhs <- rnTopBindsLHS emptyFsEnv aux_val_binds
355         ; bindLocalNames (collectHsValBinders rn_aux_lhs) $ 
356     do  { (rn_aux, dus_aux) <- rnTopBindsRHS rn_aux_lhs
357         ; (rn_inst_infos, fvs_insts) <- mapAndUnzipM rn_inst_info inst_infos
358         ; return (rn_inst_infos, rn_aux `plusHsValBinds` rn_gen,
359                   dus_gen `plusDU` dus_aux `plusDU` usesOnly (plusFVs fvs_insts)) } }
360
361   where
362     (inst_infos, deriv_aux_binds) = unzip insts
363     
364         -- Remove duplicate requests for auxilliary bindings
365     rm_dups acc [] = acc
366     rm_dups acc (b:bs) | any (isDupAux b) acc = rm_dups acc bs
367                        | otherwise            = rm_dups (b:acc) bs
368
369
370     rn_inst_info :: InstInfo RdrName -> TcM (InstInfo Name, FreeVars)
371     rn_inst_info info@(InstInfo { iBinds = NewTypeDerived coi tc })
372         = return ( info { iBinds = NewTypeDerived coi tc }
373                  , mkFVs (map dataConName (tyConDataCons tc)))
374           -- See Note [Newtype deriving and unused constructors]
375
376     rn_inst_info (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = VanillaInst binds sigs standalone_deriv })
377         =       -- Bring the right type variables into 
378                 -- scope (yuk), and rename the method binds
379            ASSERT( null sigs )
380            bindLocalNames (map Var.varName tyvars) $
381            do { (rn_binds, fvs) <- rnMethodBinds clas_nm (\_ -> []) [] binds
382               ; let binds' = VanillaInst rn_binds [] standalone_deriv
383               ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds' }, fvs) }
384         where
385           (tyvars,_, clas,_) = instanceHead inst
386           clas_nm            = className clas
387
388 -----------------------------------------
389 mkGenericBinds :: Bool -> [LTyClDecl Name] -> TcM (LHsBinds RdrName)
390 mkGenericBinds is_boot tycl_decls
391   | is_boot 
392   = return emptyBag
393   | otherwise
394   = do  { tcs <- mapM tcLookupTyCon [ tcdName d 
395                                     | L _ d <- tycl_decls, isDataDecl d ]
396         ; return (unionManyBags [ mkTyConGenericBinds tc
397                                 | tc <- tcs, tyConHasGenerics tc ]) }
398                 -- We are only interested in the data type declarations,
399                 -- and then only in the ones whose 'has-generics' flag is on
400                 -- The predicate tyConHasGenerics finds both of these
401 \end{code}
402
403 Note [Newtype deriving and unused constructors]
404 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
405 Consider this (see Trac #1954):
406
407   module Bug(P) where
408   newtype P a = MkP (IO a) deriving Monad
409
410 If you compile with -fwarn-unused-binds you do not expect the warning
411 "Defined but not used: data consructor MkP". Yet the newtype deriving
412 code does not explicitly mention MkP, but it should behave as if you
413 had written
414   instance Monad P where
415      return x = MkP (return x)
416      ...etc...
417
418 So we want to signal a user of the data constructor 'MkP'.  That's
419 what we do in rn_inst_info, and it's the only reason we have the TyCon
420 stored in NewTypeDerived.
421
422
423 %************************************************************************
424 %*                                                                      *
425                 From HsSyn to DerivSpec
426 %*                                                                      *
427 %************************************************************************
428
429 @makeDerivSpecs@ fishes around to find the info about needed derived instances.
430
431 \begin{code}
432 makeDerivSpecs :: Bool 
433                -> [LTyClDecl Name] 
434                -> [LInstDecl Name]
435                -> [LDerivDecl Name] 
436                -> TcM [EarlyDerivSpec]
437
438 makeDerivSpecs is_boot tycl_decls inst_decls deriv_decls
439   | is_boot     -- No 'deriving' at all in hs-boot files
440   = do  { mapM_ add_deriv_err deriv_locs 
441         ; return [] }
442   | otherwise
443   = do  { eqns1 <- mapAndRecoverM deriveTyData all_tydata
444         ; eqns2 <- mapAndRecoverM deriveStandalone deriv_decls
445         ; return (eqns1 ++ eqns2) }
446   where
447     extractTyDataPreds decls
448       = [(p, d) | d@(L _ (TyData {tcdDerivs = Just preds})) <- decls, p <- preds]
449
450     all_tydata :: [(LHsType Name, LTyClDecl Name)]
451         -- Derived predicate paired with its data type declaration
452     all_tydata = extractTyDataPreds (instDeclATs inst_decls ++ tycl_decls)
453
454     deriv_locs = map (getLoc . snd) all_tydata
455                  ++ map getLoc deriv_decls
456
457     add_deriv_err loc = setSrcSpan loc $
458                         addErr (hang (ptext (sLit "Deriving not permitted in hs-boot file"))
459                                    2 (ptext (sLit "Use an instance declaration instead")))
460
461 ------------------------------------------------------------------
462 deriveStandalone :: LDerivDecl Name -> TcM EarlyDerivSpec
463 -- Standalone deriving declarations
464 --  e.g.   deriving instance Show a => Show (T a)
465 -- Rather like tcLocalInstDecl
466 deriveStandalone (L loc (DerivDecl deriv_ty))
467   = setSrcSpan loc                   $
468     addErrCtxt (standaloneCtxt deriv_ty)  $
469     do { traceTc "Standalone deriving decl for" (ppr deriv_ty)
470        ; (tvs, theta, tau) <- tcHsInstHead deriv_ty
471        ; traceTc "Standalone deriving;" $ vcat
472               [ text "tvs:" <+> ppr tvs
473               , text "theta:" <+> ppr theta
474               , text "tau:" <+> ppr tau ]
475        ; (cls, inst_tys) <- checkValidInstance deriv_ty tvs theta tau
476                 -- C.f. TcInstDcls.tcLocalInstDecl1
477
478        ; let cls_tys = take (length inst_tys - 1) inst_tys
479              inst_ty = last inst_tys
480        ; traceTc "Standalone deriving:" $ vcat
481               [ text "class:" <+> ppr cls
482               , text "class types:" <+> ppr cls_tys
483               , text "type:" <+> ppr inst_ty ]
484        ; mkEqnHelp StandAloneDerivOrigin tvs cls cls_tys inst_ty
485                    (Just theta) }
486
487 ------------------------------------------------------------------
488 deriveTyData :: (LHsType Name, LTyClDecl Name) -> TcM EarlyDerivSpec
489 deriveTyData (L loc deriv_pred, L _ decl@(TyData { tcdLName = L _ tycon_name, 
490                                                    tcdTyVars = tv_names, 
491                                                    tcdTyPats = ty_pats }))
492   = setSrcSpan loc     $        -- Use the location of the 'deriving' item
493     tcAddDeclCtxt decl $
494     do  { (tvs, tc, tc_args) <- get_lhs ty_pats
495         ; tcExtendTyVarEnv tvs $        -- Deriving preds may (now) mention
496                                         -- the type variables for the type constructor
497
498     do  { (deriv_tvs, cls, cls_tys) <- tcHsDeriv deriv_pred
499                 -- The "deriv_pred" is a LHsType to take account of the fact that for
500                 -- newtype deriving we allow deriving (forall a. C [a]).
501
502         -- Given data T a b c = ... deriving( C d ),
503         -- we want to drop type variables from T so that (C d (T a)) is well-kinded
504         ; let cls_tyvars = classTyVars cls
505               kind = tyVarKind (last cls_tyvars)
506               (arg_kinds, _) = splitKindFunTys kind
507               n_args_to_drop = length arg_kinds 
508               n_args_to_keep = tyConArity tc - n_args_to_drop
509               args_to_drop   = drop n_args_to_keep tc_args
510               inst_ty        = mkTyConApp tc (take n_args_to_keep tc_args)
511               inst_ty_kind   = typeKind inst_ty
512               dropped_tvs    = mkVarSet (mapCatMaybes getTyVar_maybe args_to_drop)
513               univ_tvs       = (mkVarSet tvs `extendVarSetList` deriv_tvs)
514                                         `minusVarSet` dropped_tvs
515  
516         -- Check that the result really is well-kinded
517         ; checkTc (n_args_to_keep >= 0 && (inst_ty_kind `eqKind` kind))
518                   (derivingKindErr tc cls cls_tys kind)
519
520         ; checkTc (sizeVarSet dropped_tvs == n_args_to_drop &&           -- (a)
521                    tyVarsOfTypes (inst_ty:cls_tys) `subVarSet` univ_tvs) -- (b)
522                   (derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty)
523                 -- Check that 
524                 --  (a) The data type can be eta-reduced; eg reject:
525                 --              data instance T a a = ... deriving( Monad )
526                 --  (b) The type class args do not mention any of the dropped type
527                 --      variables 
528                 --              newtype T a s = ... deriving( ST s )
529
530         -- Type families can't be partially applied
531         -- e.g.   newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Monad )
532         -- Note [Deriving, type families, and partial applications]
533         ; checkTc (not (isFamilyTyCon tc) || n_args_to_drop == 0)
534                   (typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty)
535
536         ; mkEqnHelp DerivOrigin (varSetElems univ_tvs) cls cls_tys inst_ty Nothing } }
537   where
538         -- Tiresomely we must figure out the "lhs", which is awkward for type families
539         -- E.g.   data T a b = .. deriving( Eq )
540         --          Here, the lhs is (T a b)
541         --        data instance TF Int b = ... deriving( Eq )
542         --          Here, the lhs is (TF Int b)
543         -- But if we just look up the tycon_name, we get is the *family*
544         -- tycon, but not pattern types -- they are in the *rep* tycon.
545     get_lhs Nothing     = do { tc <- tcLookupTyCon tycon_name
546                              ; let tvs = tyConTyVars tc
547                              ; return (tvs, tc, mkTyVarTys tvs) }
548     get_lhs (Just pats) = do { let hs_app = nlHsTyConApp tycon_name pats
549                              ; (tvs, tc_app) <- tcHsQuantifiedType tv_names hs_app
550                              ; let (tc, tc_args) = tcSplitTyConApp tc_app
551                              ; return (tvs, tc, tc_args) }
552
553 deriveTyData _other
554   = panic "derivTyData" -- Caller ensures that only TyData can happen
555 \end{code}
556
557 Note [Deriving, type families, and partial applications]
558 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
559 When there are no type families, it's quite easy:
560
561     newtype S a = MkS [a]
562     -- :CoS :: S  ~ []  -- Eta-reduced
563
564     instance Eq [a] => Eq (S a)         -- by coercion sym (Eq (:CoS a)) : Eq [a] ~ Eq (S a)
565     instance Monad [] => Monad S        -- by coercion sym (Monad :CoS)  : Monad [] ~ Monad S 
566
567 When type familes are involved it's trickier:
568
569     data family T a b
570     newtype instance T Int a = MkT [a] deriving( Eq, Monad )
571     -- :RT is the representation type for (T Int a)
572     --  :CoF:R1T a :: T Int a ~ :RT a   -- Not eta reduced
573     --  :Co:R1T    :: :RT ~ []          -- Eta-reduced
574
575     instance Eq [a] => Eq (T Int a)     -- easy by coercion
576     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
577
578 The "???" bit is that we don't build the :CoF thing in eta-reduced form
579 Henc the current typeFamilyPapErr, even though the instance makes sense.
580 After all, we can write it out
581     instance Monad [] => Monad (T Int)  -- only if we can eta reduce???
582       return x = MkT [x]
583       ... etc ...       
584
585 \begin{code}
586 mkEqnHelp :: CtOrigin -> [TyVar] -> Class -> [Type] -> Type
587           -> DerivContext       -- Just    => context supplied (standalone deriving)
588                                 -- Nothing => context inferred (deriving on data decl)
589           -> TcRn EarlyDerivSpec
590 -- Make the EarlyDerivSpec for an instance
591 --      forall tvs. theta => cls (tys ++ [ty])
592 -- where the 'theta' is optional (that's the Maybe part)
593 -- Assumes that this declaration is well-kinded
594
595 mkEqnHelp orig tvs cls cls_tys tc_app mtheta
596   | Just (tycon, tc_args) <- tcSplitTyConApp_maybe tc_app
597   , isAlgTyCon tycon    -- Check for functions, primitive types etc
598   = mk_alg_eqn tycon tc_args
599   | otherwise
600   = failWithTc (derivingThingErr False cls cls_tys tc_app
601                (ptext (sLit "The last argument of the instance must be a data or newtype application")))
602
603   where
604      bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr False cls cls_tys tc_app msg)
605
606      mk_alg_eqn tycon tc_args
607       | className cls `elem` typeableClassNames
608       = do { dflags <- getDOpts
609            ; case checkTypeableConditions (dflags, tycon) of
610                Just err -> bale_out err
611                Nothing  -> mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args mtheta }
612
613       | isDataFamilyTyCon tycon
614       , length tc_args /= tyConArity tycon
615       = bale_out (ptext (sLit "Unsaturated data family application"))
616
617       | otherwise
618       = do { (rep_tc, rep_tc_args) <- tcLookupDataFamInst tycon tc_args
619                   -- Be careful to test rep_tc here: in the case of families, 
620                   -- we want to check the instance tycon, not the family tycon
621
622            -- For standalone deriving (mtheta /= Nothing), 
623            -- check that all the data constructors are in scope.
624            ; rdr_env <- getGlobalRdrEnv
625            ; let hidden_data_cons = isAbstractTyCon rep_tc || 
626                                     any not_in_scope (tyConDataCons rep_tc)
627                  not_in_scope dc  = null (lookupGRE_Name rdr_env (dataConName dc))
628            ; unless (isNothing mtheta || not hidden_data_cons)
629                     (bale_out (derivingHiddenErr tycon))
630
631            ; dflags <- getDOpts
632            ; if isDataTyCon rep_tc then
633                 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
634                               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
635              else
636                 mkNewTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys 
637                              tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta }
638 \end{code}
639
640
641 %************************************************************************
642 %*                                                                      *
643                 Deriving data types
644 %*                                                                      *
645 %************************************************************************
646
647 \begin{code}
648 mkDataTypeEqn :: CtOrigin
649               -> DynFlags
650               -> [Var]                  -- Universally quantified type variables in the instance
651               -> Class                  -- Class for which we need to derive an instance
652               -> [Type]                 -- Other parameters to the class except the last
653               -> TyCon                  -- Type constructor for which the instance is requested 
654                                         --    (last parameter to the type class)
655               -> [Type]                 -- Parameters to the type constructor
656               -> TyCon                  -- rep of the above (for type families)
657               -> [Type]                 -- rep of the above
658               -> DerivContext        -- Context of the instance, for standalone deriving
659               -> TcRn EarlyDerivSpec    -- Return 'Nothing' if error
660
661 mkDataTypeEqn orig dflags tvs cls cls_tys
662               tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
663   = case checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tc of
664         -- NB: pass the *representation* tycon to checkSideConditions
665         CanDerive               -> go_for_it
666         NonDerivableClass       -> bale_out (nonStdErr cls)
667         DerivableClassError msg -> bale_out msg
668   where
669     go_for_it    = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
670     bale_out msg = failWithTc (derivingThingErr False cls cls_tys (mkTyConApp tycon tc_args) msg)
671
672 mk_data_eqn :: CtOrigin -> [TyVar] -> Class 
673             -> TyCon -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> DerivContext
674             -> TcM EarlyDerivSpec
675 mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tc rep_tc_args mtheta
676   = do  { dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
677         ; loc <- getSrcSpanM
678         ; let inst_tys = [mkTyConApp tycon tc_args]
679               inferred_constraints = inferConstraints tvs cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
680               spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
681                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = tvs 
682                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
683                         , ds_tc = rep_tc, ds_tc_args = rep_tc_args
684                         , ds_theta =  mtheta `orElse` inferred_constraints
685                         , ds_newtype = False }
686
687         ; return (if isJust mtheta then Right spec      -- Specified context
688                                    else Left spec) }    -- Infer context
689
690 ----------------------
691 mk_typeable_eqn :: CtOrigin -> [TyVar] -> Class 
692                 -> TyCon -> [TcType] -> DerivContext
693                 -> TcM EarlyDerivSpec
694 mk_typeable_eqn orig tvs cls tycon tc_args mtheta
695         -- The Typeable class is special in several ways
696         --        data T a b = ... deriving( Typeable )
697         -- gives
698         --        instance Typeable2 T where ...
699         -- Notice that:
700         -- 1. There are no constraints in the instance
701         -- 2. There are no type variables either
702         -- 3. The actual class we want to generate isn't necessarily
703         --      Typeable; it depends on the arity of the type
704   | isNothing mtheta    -- deriving on a data type decl
705   = do  { checkTc (cls `hasKey` typeableClassKey)
706                   (ptext (sLit "Use deriving( Typeable ) on a data type declaration"))
707         ; real_cls <- tcLookupClass (typeableClassNames !! tyConArity tycon)
708         ; mk_typeable_eqn orig tvs real_cls tycon [] (Just []) }
709
710   | otherwise           -- standaone deriving
711   = do  { checkTc (null tc_args)
712                   (ptext (sLit "Derived typeable instance must be of form (Typeable") 
713                         <> int (tyConArity tycon) <+> ppr tycon <> rparen)
714         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
715         ; loc <- getSrcSpanM
716         ; return (Right $
717                   DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_name = dfun_name, ds_tvs = []
718                      , ds_cls = cls, ds_tys = [mkTyConApp tycon []]
719                      , ds_tc = tycon, ds_tc_args = []
720                      , ds_theta = mtheta `orElse` [], ds_newtype = False })  }
721
722 ----------------------
723 inferConstraints :: [TyVar] -> Class -> [TcType] -> TyCon -> [TcType] -> ThetaType
724 -- Generate a sufficiently large set of constraints that typechecking the
725 -- generated method definitions should succeed.   This set will be simplified
726 -- before being used in the instance declaration
727 inferConstraints _ cls inst_tys rep_tc rep_tc_args
728   = ASSERT2( equalLength rep_tc_tvs all_rep_tc_args, ppr cls <+> ppr rep_tc )
729     stupid_constraints ++ extra_constraints
730     ++ sc_constraints ++ con_arg_constraints
731   where
732        -- Constraints arising from the arguments of each constructor
733     con_arg_constraints
734       = [ mkClassPred cls [arg_ty] 
735         | data_con <- tyConDataCons rep_tc,
736           arg_ty   <- ASSERT( isVanillaDataCon data_con )
737                         get_constrained_tys $
738                         dataConInstOrigArgTys data_con all_rep_tc_args,
739           not (isUnLiftedType arg_ty) ]
740                 -- No constraints for unlifted types
741                 -- Where they are legal we generate specilised function calls
742
743                 -- For functor-like classes, two things are different
744                 -- (a) We recurse over argument types to generate constraints
745                 --     See Functor examples in TcGenDeriv
746                 -- (b) The rep_tc_args will be one short
747     is_functor_like = getUnique cls `elem` functorLikeClassKeys
748
749     get_constrained_tys :: [Type] -> [Type]
750     get_constrained_tys tys 
751         | is_functor_like = concatMap (deepSubtypesContaining last_tv) tys
752         | otherwise       = tys
753
754     rep_tc_tvs = tyConTyVars rep_tc
755     last_tv = last rep_tc_tvs
756     all_rep_tc_args | is_functor_like = rep_tc_args ++ [mkTyVarTy last_tv]
757                     | otherwise       = rep_tc_args
758
759         -- Constraints arising from superclasses
760         -- See Note [Superclasses of derived instance]
761     sc_constraints = substTheta (zipOpenTvSubst (classTyVars cls) inst_tys)
762                                 (classSCTheta cls)
763
764         -- Stupid constraints
765     stupid_constraints = substTheta subst (tyConStupidTheta rep_tc)
766     subst = zipTopTvSubst rep_tc_tvs all_rep_tc_args
767               
768         -- Extra Data constraints
769         -- The Data class (only) requires that for 
770         --    instance (...) => Data (T t1 t2) 
771         -- IF   t1:*, t2:*
772         -- THEN (Data t1, Data t2) are among the (...) constraints
773         -- Reason: when the IF holds, we generate a method
774         --             dataCast2 f = gcast2 f
775         --         and we need the Data constraints to typecheck the method
776     extra_constraints 
777       | cls `hasKey` dataClassKey
778       , all (isLiftedTypeKind . typeKind) rep_tc_args 
779       = [mkClassPred cls [ty] | ty <- rep_tc_args]
780       | otherwise 
781       = []
782
783 ------------------------------------------------------------------
784 -- Check side conditions that dis-allow derivability for particular classes
785 -- This is *apart* from the newtype-deriving mechanism
786 --
787 -- Here we get the representation tycon in case of family instances as it has
788 -- the data constructors - but we need to be careful to fall back to the
789 -- family tycon (with indexes) in error messages.
790
791 data DerivStatus = CanDerive
792                  | DerivableClassError SDoc     -- Standard class, but can't do it
793                  | NonDerivableClass            -- Non-standard class
794
795 checkSideConditions :: DynFlags -> DerivContext -> Class -> [TcType] -> TyCon -> DerivStatus
796 checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tc
797   | Just cond <- sideConditions mtheta cls
798   = case (cond (dflags, rep_tc)) of
799         Just err -> DerivableClassError err     -- Class-specific error
800         Nothing  | null cls_tys -> CanDerive    -- All derivable classes are unary, so
801                                                 -- cls_tys (the type args other than last) 
802                                                 -- should be null
803                  | otherwise    -> DerivableClassError ty_args_why      -- e.g. deriving( Eq s )
804   | otherwise = NonDerivableClass       -- Not a standard class
805   where
806     ty_args_why = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "is not a class")
807
808 checkTypeableConditions :: Condition
809 checkTypeableConditions = checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` cond_typeableOK
810
811 nonStdErr :: Class -> SDoc
812 nonStdErr cls = quotes (ppr cls) <+> ptext (sLit "is not a derivable class")
813
814 sideConditions :: DerivContext -> Class -> Maybe Condition
815 sideConditions mtheta cls
816   | cls_key == eqClassKey          = Just cond_std
817   | cls_key == ordClassKey         = Just cond_std
818   | cls_key == showClassKey        = Just cond_std
819   | cls_key == readClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
820   | cls_key == enumClassKey        = Just (cond_std `andCond` cond_isEnumeration)
821   | cls_key == ixClassKey          = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
822   | cls_key == boundedClassKey     = Just (cond_std `andCond` cond_enumOrProduct)
823   | cls_key == dataClassKey        = Just (checkFlag Opt_DeriveDataTypeable `andCond` 
824                                            cond_std `andCond` cond_noUnliftedArgs)
825   | cls_key == functorClassKey     = Just (checkFlag Opt_DeriveFunctor `andCond`
826                                            cond_functorOK True)  -- NB: no cond_std!
827   | cls_key == foldableClassKey    = Just (checkFlag Opt_DeriveFoldable `andCond`
828                                            cond_functorOK False) -- Functor/Fold/Trav works ok for rank-n types
829   | cls_key == traversableClassKey = Just (checkFlag Opt_DeriveTraversable `andCond`
830                                            cond_functorOK False)
831   | otherwise = Nothing
832   where
833     cls_key = getUnique cls
834     cond_std = cond_stdOK mtheta
835
836 type Condition = (DynFlags, TyCon) -> Maybe SDoc
837         -- first Bool is whether or not we are allowed to derive Data and Typeable
838         -- second Bool is whether or not we are allowed to derive Functor
839         -- TyCon is the *representation* tycon if the 
840         --      data type is an indexed one
841         -- Nothing => OK
842
843 orCond :: Condition -> Condition -> Condition
844 orCond c1 c2 tc 
845   = case c1 tc of
846         Nothing -> Nothing          -- c1 succeeds
847         Just x  -> case c2 tc of    -- c1 fails
848                      Nothing -> Nothing
849                      Just y  -> Just (x $$ ptext (sLit "  and") $$ y)
850                                     -- Both fail
851
852 andCond :: Condition -> Condition -> Condition
853 andCond c1 c2 tc = case c1 tc of
854                      Nothing -> c2 tc   -- c1 succeeds
855                      Just x  -> Just x  -- c1 fails
856
857 cond_stdOK :: DerivContext -> Condition
858 cond_stdOK (Just _) _
859   = Nothing     -- Don't check these conservative conditions for
860                 -- standalone deriving; just generate the code
861                 -- and let the typechecker handle the result
862 cond_stdOK Nothing (_, rep_tc)
863   | null data_cons      = Just (no_cons_why rep_tc $$ suggestion)
864   | not (null con_whys) = Just (vcat con_whys $$ suggestion)
865   | otherwise           = Nothing
866   where
867     suggestion  = ptext (sLit "Possible fix: use a standalone deriving declaration instead")
868     data_cons   = tyConDataCons rep_tc
869     con_whys = mapCatMaybes check_con data_cons
870
871     check_con :: DataCon -> Maybe SDoc
872     check_con con 
873       | isVanillaDataCon con
874       , all isTauTy (dataConOrigArgTys con) = Nothing
875       | otherwise = Just (badCon con (ptext (sLit "does not have a Haskell-98 type")))
876   
877 no_cons_why :: TyCon -> SDoc
878 no_cons_why rep_tc = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
879                      ptext (sLit "has no data constructors")
880
881 cond_enumOrProduct :: Condition
882 cond_enumOrProduct = cond_isEnumeration `orCond` 
883                        (cond_isProduct `andCond` cond_noUnliftedArgs)
884
885 cond_noUnliftedArgs :: Condition
886 -- For some classes (eg Eq, Ord) we allow unlifted arg types
887 -- by generating specilaised code.  For others (eg Data) we don't.
888 cond_noUnliftedArgs (_, tc)
889   | null bad_cons = Nothing
890   | otherwise     = Just why
891   where
892     bad_cons = [ con | con <- tyConDataCons tc
893                      , any isUnLiftedType (dataConOrigArgTys con) ]
894     why = badCon (head bad_cons) (ptext (sLit "has arguments of unlifted type"))
895
896 cond_isEnumeration :: Condition
897 cond_isEnumeration (_, rep_tc)
898   | isEnumerationTyCon rep_tc   = Nothing
899   | otherwise                   = Just why
900   where
901     why = sep [ quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
902                   ptext (sLit "is not an enumeration type")
903               , nest 2 $ ptext (sLit "(an enumeration consists of one or more nullary constructors)") ]
904                   -- See Note [Enumeration types] in TyCon
905
906 cond_isProduct :: Condition
907 cond_isProduct (_, rep_tc)
908   | isProductTyCon rep_tc = Nothing
909   | otherwise             = Just why
910   where
911     why = quotes (pprSourceTyCon rep_tc) <+> 
912           ptext (sLit "does not have precisely one constructor")
913
914 cond_typeableOK :: Condition
915 -- OK for Typeable class
916 -- Currently: (a) args all of kind *
917 --            (b) 7 or fewer args
918 cond_typeableOK (_, tc)
919   | tyConArity tc > 7 = Just too_many
920   | not (all (isSubArgTypeKind . tyVarKind) (tyConTyVars tc)) 
921                       = Just bad_kind
922   | otherwise         = Nothing
923   where
924     too_many = quotes (pprSourceTyCon tc) <+> 
925                ptext (sLit "has too many arguments")
926     bad_kind = quotes (pprSourceTyCon tc) <+> 
927                ptext (sLit "has arguments of kind other than `*'")
928
929 functorLikeClassKeys :: [Unique]
930 functorLikeClassKeys = [functorClassKey, foldableClassKey, traversableClassKey]
931
932 cond_functorOK :: Bool -> Condition
933 -- OK for Functor/Foldable/Traversable class
934 -- Currently: (a) at least one argument
935 --            (b) don't use argument contravariantly
936 --            (c) don't use argument in the wrong place, e.g. data T a = T (X a a)
937 --            (d) optionally: don't use function types
938 --            (e) no "stupid context" on data type
939 cond_functorOK allowFunctions (dflags, rep_tc) 
940   | not (xopt Opt_DeriveFunctor dflags)
941   = Just (ptext (sLit "You need -XDeriveFunctor to derive an instance for this class"))
942
943   | null tc_tvs
944   = Just (ptext (sLit "Data type") <+> quotes (ppr rep_tc) 
945           <+> ptext (sLit "has no parameters"))
946
947   | not (null bad_stupid_theta)
948   = Just (ptext (sLit "Data type") <+> quotes (ppr rep_tc) 
949           <+> ptext (sLit "has a class context") <+> pprTheta bad_stupid_theta)
950
951   | otherwise
952   = msum (map check_con data_cons)      -- msum picks the first 'Just', if any
953   where
954     tc_tvs            = tyConTyVars rep_tc
955     Just (_, last_tv) = snocView tc_tvs
956     bad_stupid_theta  = filter is_bad (tyConStupidTheta rep_tc)
957     is_bad pred       = last_tv `elemVarSet` tyVarsOfPred pred
958
959     data_cons = tyConDataCons rep_tc
960     check_con con = msum (check_vanilla con : foldDataConArgs (ft_check con) con)
961
962     check_vanilla :: DataCon -> Maybe SDoc
963     check_vanilla con | isVanillaDataCon con = Nothing
964                       | otherwise            = Just (badCon con existential)
965
966     ft_check :: DataCon -> FFoldType (Maybe SDoc)
967     ft_check con = FT { ft_triv = Nothing, ft_var = Nothing
968                       , ft_co_var = Just (badCon con covariant)
969                       , ft_fun = \x y -> if allowFunctions then x `mplus` y 
970                                                            else Just (badCon con functions)
971                       , ft_tup = \_ xs  -> msum xs
972                       , ft_ty_app = \_ x   -> x
973                       , ft_bad_app = Just (badCon con wrong_arg)
974                       , ft_forall = \_ x   -> x }
975                     
976     existential = ptext (sLit "has existential arguments")
977     covariant   = ptext (sLit "uses the type variable in a function argument")
978     functions   = ptext (sLit "contains function types")
979     wrong_arg   = ptext (sLit "uses the type variable in an argument other than the last")
980
981 checkFlag :: ExtensionFlag -> Condition
982 checkFlag flag (dflags, _)
983   | xopt flag dflags = Nothing
984   | otherwise        = Just why
985   where
986     why = ptext (sLit "You need -X") <> text flag_str 
987           <+> ptext (sLit "to derive an instance for this class")
988     flag_str = case [ s | (s, f, _) <- xFlags, f==flag ] of
989                  [s]   -> s
990                  other -> pprPanic "checkFlag" (ppr other)
991
992 std_class_via_iso :: Class -> Bool
993 -- These standard classes can be derived for a newtype
994 -- using the isomorphism trick *even if no -XGeneralizedNewtypeDeriving
995 -- because giving so gives the same results as generating the boilerplate
996 std_class_via_iso clas  
997   = classKey clas `elem` [eqClassKey, ordClassKey, ixClassKey, boundedClassKey]
998         -- Not Read/Show because they respect the type
999         -- Not Enum, because newtypes are never in Enum
1000
1001
1002 non_iso_class :: Class -> Bool
1003 -- *Never* derive Read,Show,Typeable,Data by isomorphism,
1004 -- even with -XGeneralizedNewtypeDeriving
1005 non_iso_class cls 
1006   = classKey cls `elem` ([readClassKey, showClassKey, dataClassKey] ++
1007                          typeableClassKeys)
1008
1009 typeableClassKeys :: [Unique]
1010 typeableClassKeys = map getUnique typeableClassNames
1011
1012 new_dfun_name :: Class -> TyCon -> TcM Name
1013 new_dfun_name clas tycon        -- Just a simple wrapper
1014   = do { loc <- getSrcSpanM     -- The location of the instance decl, not of the tycon
1015         ; newDFunName clas [mkTyConApp tycon []] loc }
1016         -- The type passed to newDFunName is only used to generate
1017         -- a suitable string; hence the empty type arg list
1018
1019 badCon :: DataCon -> SDoc -> SDoc
1020 badCon con msg = ptext (sLit "Constructor") <+> quotes (ppr con) <+> msg
1021 \end{code}
1022
1023 Note [Superclasses of derived instance] 
1024 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1025 In general, a derived instance decl needs the superclasses of the derived
1026 class too.  So if we have
1027         data T a = ...deriving( Ord )
1028 then the initial context for Ord (T a) should include Eq (T a).  Often this is 
1029 redundant; we'll also generate an Ord constraint for each constructor argument,
1030 and that will probably generate enough constraints to make the Eq (T a) constraint 
1031 be satisfied too.  But not always; consider:
1032
1033  data S a = S
1034  instance Eq (S a)
1035  instance Ord (S a)
1036
1037  data T a = MkT (S a) deriving( Ord )
1038  instance Num a => Eq (T a)
1039
1040 The derived instance for (Ord (T a)) must have a (Num a) constraint!
1041 Similarly consider:
1042         data T a = MkT deriving( Data, Typeable )
1043 Here there *is* no argument field, but we must nevertheless generate
1044 a context for the Data instances:
1045         instance Typable a => Data (T a) where ...
1046
1047
1048 %************************************************************************
1049 %*                                                                      *
1050                 Deriving newtypes
1051 %*                                                                      *
1052 %************************************************************************
1053
1054 \begin{code}
1055 mkNewTypeEqn :: CtOrigin -> DynFlags -> [Var] -> Class
1056              -> [Type] -> TyCon -> [Type] -> TyCon -> [Type]
1057              -> DerivContext
1058              -> TcRn EarlyDerivSpec
1059 mkNewTypeEqn orig dflags tvs
1060              cls cls_tys tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1061 -- Want: instance (...) => cls (cls_tys ++ [tycon tc_args]) where ...
1062   | can_derive_via_isomorphism && (newtype_deriving || std_class_via_iso cls)
1063   = do  { traceTc "newtype deriving:" (ppr tycon <+> ppr rep_tys <+> ppr all_preds)
1064         ; dfun_name <- new_dfun_name cls tycon
1065         ; loc <- getSrcSpanM
1066         ; let spec = DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig
1067                         , ds_name = dfun_name, ds_tvs = varSetElems dfun_tvs 
1068                         , ds_cls = cls, ds_tys = inst_tys
1069                         , ds_tc = rep_tycon, ds_tc_args = rep_tc_args
1070                         , ds_theta =  mtheta `orElse` all_preds
1071                         , ds_newtype = True }
1072         ; return (if isJust mtheta then Right spec
1073                                    else Left spec) }
1074
1075   | otherwise
1076   = case checkSideConditions dflags mtheta cls cls_tys rep_tycon of
1077       CanDerive -> go_for_it    -- Use the standard H98 method
1078       DerivableClassError msg   -- Error with standard class
1079         | can_derive_via_isomorphism -> bale_out (msg $$ suggest_nd)
1080         | otherwise                  -> bale_out msg
1081       NonDerivableClass         -- Must use newtype deriving
1082         | newtype_deriving           -> bale_out cant_derive_err  -- Too hard, even with newtype deriving
1083         | can_derive_via_isomorphism -> bale_out (non_std $$ suggest_nd) -- Try newtype deriving!
1084         | otherwise                  -> bale_out non_std
1085   where
1086         newtype_deriving = xopt Opt_GeneralizedNewtypeDeriving dflags
1087         go_for_it        = mk_data_eqn orig tvs cls tycon tc_args rep_tycon rep_tc_args mtheta
1088         bale_out msg     = failWithTc (derivingThingErr newtype_deriving cls cls_tys inst_ty msg)
1089
1090         non_std    = nonStdErr cls
1091         suggest_nd = ptext (sLit "Try -XGeneralizedNewtypeDeriving for GHC's newtype-deriving extension")
1092
1093         -- Here is the plan for newtype derivings.  We see
1094         --        newtype T a1...an = MkT (t ak+1...an) deriving (.., C s1 .. sm, ...)
1095         -- where t is a type,
1096         --       ak+1...an is a suffix of a1..an, and are all tyars
1097         --       ak+1...an do not occur free in t, nor in the s1..sm
1098         --       (C s1 ... sm) is a  *partial applications* of class C 
1099         --                      with the last parameter missing
1100         --       (T a1 .. ak) matches the kind of C's last argument
1101         --              (and hence so does t)
1102         -- The latter kind-check has been done by deriveTyData already,
1103         -- and tc_args are already trimmed
1104         --
1105         -- We generate the instance
1106         --       instance forall ({a1..ak} u fvs(s1..sm)).
1107         --                C s1 .. sm t => C s1 .. sm (T a1...ak)
1108         -- where T a1...ap is the partial application of 
1109         --       the LHS of the correct kind and p >= k
1110         --
1111         --      NB: the variables below are:
1112         --              tc_tvs = [a1, ..., an]
1113         --              tyvars_to_keep = [a1, ..., ak]
1114         --              rep_ty = t ak .. an
1115         --              deriv_tvs = fvs(s1..sm) \ tc_tvs
1116         --              tys = [s1, ..., sm]
1117         --              rep_fn' = t
1118         --
1119         -- Running example: newtype T s a = MkT (ST s a) deriving( Monad )
1120         -- We generate the instance
1121         --      instance Monad (ST s) => Monad (T s) where 
1122
1123         nt_eta_arity = length (fst (newTyConEtadRhs rep_tycon))
1124                 -- For newtype T a b = MkT (S a a b), the TyCon machinery already
1125                 -- eta-reduces the representation type, so we know that
1126                 --      T a ~ S a a
1127                 -- That's convenient here, because we may have to apply
1128                 -- it to fewer than its original complement of arguments
1129
1130         -- Note [Newtype representation]
1131         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1132         -- Need newTyConRhs (*not* a recursive representation finder) 
1133         -- to get the representation type. For example
1134         --      newtype B = MkB Int
1135         --      newtype A = MkA B deriving( Num )
1136         -- We want the Num instance of B, *not* the Num instance of Int,
1137         -- when making the Num instance of A!
1138         rep_inst_ty = newTyConInstRhs rep_tycon rep_tc_args
1139         rep_tys     = cls_tys ++ [rep_inst_ty]
1140         rep_pred    = mkClassPred cls rep_tys
1141                 -- rep_pred is the representation dictionary, from where
1142                 -- we are gong to get all the methods for the newtype
1143                 -- dictionary 
1144
1145
1146     -- Next we figure out what superclass dictionaries to use
1147     -- See Note [Newtype deriving superclasses] above
1148
1149         cls_tyvars = classTyVars cls
1150         dfun_tvs = tyVarsOfTypes inst_tys
1151         inst_ty = mkTyConApp tycon tc_args
1152         inst_tys = cls_tys ++ [inst_ty]
1153         sc_theta = substTheta (zipOpenTvSubst cls_tyvars inst_tys)
1154                               (classSCTheta cls)
1155
1156                 -- If there are no tyvars, there's no need
1157                 -- to abstract over the dictionaries we need
1158                 -- Example:     newtype T = MkT Int deriving( C )
1159                 -- We get the derived instance
1160                 --              instance C T
1161                 -- rather than
1162                 --              instance C Int => C T
1163         all_preds = rep_pred : sc_theta         -- NB: rep_pred comes first
1164
1165         -------------------------------------------------------------------
1166         --  Figuring out whether we can only do this newtype-deriving thing
1167
1168         can_derive_via_isomorphism
1169            =  not (non_iso_class cls)
1170            && arity_ok
1171            && eta_ok
1172            && ats_ok
1173 --         && not (isRecursiveTyCon tycon)      -- Note [Recursive newtypes]
1174
1175         arity_ok = length cls_tys + 1 == classArity cls
1176                 -- Well kinded; eg not: newtype T ... deriving( ST )
1177                 --                      because ST needs *2* type params
1178
1179         -- Check that eta reduction is OK
1180         eta_ok = nt_eta_arity <= length rep_tc_args
1181                 -- The newtype can be eta-reduced to match the number
1182                 --     of type argument actually supplied
1183                 --        newtype T a b = MkT (S [a] b) deriving( Monad )
1184                 --     Here the 'b' must be the same in the rep type (S [a] b)
1185                 --     And the [a] must not mention 'b'.  That's all handled
1186                 --     by nt_eta_rity.
1187
1188         ats_ok = null (classATs cls)    
1189                -- No associated types for the class, because we don't 
1190                -- currently generate type 'instance' decls; and cannot do
1191                -- so for 'data' instance decls
1192                                          
1193         cant_derive_err
1194            = vcat [ ppUnless arity_ok arity_msg
1195                   , ppUnless eta_ok eta_msg
1196                   , ppUnless ats_ok ats_msg ]
1197         arity_msg = quotes (ppr (mkClassPred cls cls_tys)) <+> ptext (sLit "does not have arity 1")
1198         eta_msg   = ptext (sLit "cannot eta-reduce the representation type enough")
1199         ats_msg   = ptext (sLit "the class has associated types")
1200 \end{code}
1201
1202 Note [Recursive newtypes]
1203 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1204 Newtype deriving works fine, even if the newtype is recursive.
1205 e.g.    newtype S1 = S1 [T1 ()]
1206         newtype T1 a = T1 (StateT S1 IO a ) deriving( Monad )
1207 Remember, too, that type families are curretly (conservatively) given
1208 a recursive flag, so this also allows newtype deriving to work
1209 for type famillies.
1210
1211 We used to exclude recursive types, because we had a rather simple
1212 minded way of generating the instance decl:
1213    newtype A = MkA [A]
1214    instance Eq [A] => Eq A      -- Makes typechecker loop!
1215 But now we require a simple context, so it's ok.
1216
1217
1218 %************************************************************************
1219 %*                                                                      *
1220 \subsection[TcDeriv-fixpoint]{Finding the fixed point of \tr{deriving} equations}
1221 %*                                                                      *
1222 %************************************************************************
1223
1224 A ``solution'' (to one of the equations) is a list of (k,TyVarTy tv)
1225 terms, which is the final correct RHS for the corresponding original
1226 equation.
1227 \begin{itemize}
1228 \item
1229 Each (k,TyVarTy tv) in a solution constrains only a type
1230 variable, tv.
1231
1232 \item
1233 The (k,TyVarTy tv) pairs in a solution are canonically
1234 ordered by sorting on type varible, tv, (major key) and then class, k,
1235 (minor key)
1236 \end{itemize}
1237
1238 \begin{code}
1239 inferInstanceContexts :: OverlapFlag -> [DerivSpec] -> TcM [DerivSpec]
1240
1241 inferInstanceContexts _ [] = return []
1242
1243 inferInstanceContexts oflag infer_specs
1244   = do  { traceTc "inferInstanceContexts" $ vcat (map pprDerivSpec infer_specs)
1245         ; iterate_deriv 1 initial_solutions }
1246   where
1247     ------------------------------------------------------------------
1248         -- The initial solutions for the equations claim that each
1249         -- instance has an empty context; this solution is certainly
1250         -- in canonical form.
1251     initial_solutions :: [ThetaType]
1252     initial_solutions = [ [] | _ <- infer_specs ]
1253
1254     ------------------------------------------------------------------
1255         -- iterate_deriv calculates the next batch of solutions,
1256         -- compares it with the current one; finishes if they are the
1257         -- same, otherwise recurses with the new solutions.
1258         -- It fails if any iteration fails
1259     iterate_deriv :: Int -> [ThetaType] -> TcM [DerivSpec]
1260     iterate_deriv n current_solns
1261       | n > 20  -- Looks as if we are in an infinite loop
1262                 -- This can happen if we have -XUndecidableInstances
1263                 -- (See TcSimplify.tcSimplifyDeriv.)
1264       = pprPanic "solveDerivEqns: probable loop" 
1265                  (vcat (map pprDerivSpec infer_specs) $$ ppr current_solns)
1266       | otherwise
1267       = do {      -- Extend the inst info from the explicit instance decls
1268                   -- with the current set of solutions, and simplify each RHS
1269              let inst_specs = zipWithEqual "add_solns" (mkInstance oflag)
1270                                            current_solns infer_specs
1271            ; new_solns <- checkNoErrs $
1272                           extendLocalInstEnv inst_specs $
1273                           mapM gen_soln infer_specs
1274
1275            ; if (current_solns == new_solns) then
1276                 return [ spec { ds_theta = soln } 
1277                        | (spec, soln) <- zip infer_specs current_solns ]
1278              else
1279                 iterate_deriv (n+1) new_solns }
1280
1281     ------------------------------------------------------------------
1282     gen_soln :: DerivSpec  -> TcM [PredType]
1283     gen_soln (DS { ds_loc = loc, ds_orig = orig, ds_tvs = tyvars 
1284                  , ds_cls = clas, ds_tys = inst_tys, ds_theta = deriv_rhs })
1285       = setSrcSpan loc  $
1286         addErrCtxt (derivInstCtxt clas inst_tys) $ 
1287         do {      -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1288                   -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1289                   -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1290                   -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1291                   -- equality when finding the fixpoint.  Moreover, simplifyDeriv
1292                   -- has an assert failure because it finds a TyVar when it expects
1293                   -- only TcTyVars.  So I just rule it out for now.  I'm not 
1294                   -- even sure how it can arise.
1295                   
1296            ; let tv_set = mkVarSet tyvars
1297                  weird_preds = [pred | pred <- deriv_rhs
1298                                      , not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
1299            ; mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds      
1300
1301            ; theta <- simplifyDeriv orig tyvars deriv_rhs
1302                 -- checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1303                 -- Not necessary; see Note [Exotic derived instance contexts]
1304                 --                in TcSimplify
1305                 
1306            ; traceTc "TcDeriv" (ppr deriv_rhs $$ ppr theta)
1307                 -- Claim: the result instance declaration is guaranteed valid
1308                 -- Hence no need to call:
1309                 --   checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
1310            ; return (sortLe (<=) theta) }       -- Canonicalise before returning the solution
1311
1312 ------------------------------------------------------------------
1313 mkInstance :: OverlapFlag -> ThetaType -> DerivSpec -> Instance
1314 mkInstance overlap_flag theta
1315             (DS { ds_name = dfun_name
1316                 , ds_tvs = tyvars, ds_cls = clas, ds_tys = tys })
1317   = mkLocalInstance dfun overlap_flag
1318   where
1319     dfun = mkDictFunId dfun_name tyvars theta clas tys
1320
1321
1322 extendLocalInstEnv :: [Instance] -> TcM a -> TcM a
1323 -- Add new locally-defined instances; don't bother to check
1324 -- for functional dependency errors -- that'll happen in TcInstDcls
1325 extendLocalInstEnv dfuns thing_inside
1326  = do { env <- getGblEnv
1327       ; let  inst_env' = extendInstEnvList (tcg_inst_env env) dfuns 
1328              env'      = env { tcg_inst_env = inst_env' }
1329       ; setGblEnv env' thing_inside }
1330 \end{code}
1331
1332
1333 %************************************************************************
1334 %*                                                                      *
1335 \subsection[TcDeriv-normal-binds]{Bindings for the various classes}
1336 %*                                                                      *
1337 %************************************************************************
1338
1339 After all the trouble to figure out the required context for the
1340 derived instance declarations, all that's left is to chug along to
1341 produce them.  They will then be shoved into @tcInstDecls2@, which
1342 will do all its usual business.
1343
1344 There are lots of possibilities for code to generate.  Here are
1345 various general remarks.
1346
1347 PRINCIPLES:
1348 \begin{itemize}
1349 \item
1350 We want derived instances of @Eq@ and @Ord@ (both v common) to be
1351 ``you-couldn't-do-better-by-hand'' efficient.
1352
1353 \item
1354 Deriving @Show@---also pretty common--- should also be reasonable good code.
1355
1356 \item
1357 Deriving for the other classes isn't that common or that big a deal.
1358 \end{itemize}
1359
1360 PRAGMATICS:
1361
1362 \begin{itemize}
1363 \item
1364 Deriving @Ord@ is done mostly with the 1.3 @compare@ method.
1365
1366 \item
1367 Deriving @Eq@ also uses @compare@, if we're deriving @Ord@, too.
1368
1369 \item
1370 We {\em normally} generate code only for the non-defaulted methods;
1371 there are some exceptions for @Eq@ and (especially) @Ord@...
1372
1373 \item
1374 Sometimes we use a @_con2tag_<tycon>@ function, which returns a data
1375 constructor's numeric (@Int#@) tag.  These are generated by
1376 @gen_tag_n_con_binds@, and the heuristic for deciding if one of
1377 these is around is given by @hasCon2TagFun@.
1378
1379 The examples under the different sections below will make this
1380 clearer.
1381
1382 \item
1383 Much less often (really just for deriving @Ix@), we use a
1384 @_tag2con_<tycon>@ function.  See the examples.
1385
1386 \item
1387 We use the renamer!!!  Reason: we're supposed to be
1388 producing @LHsBinds Name@ for the methods, but that means
1389 producing correctly-uniquified code on the fly.  This is entirely
1390 possible (the @TcM@ monad has a @UniqueSupply@), but it is painful.
1391 So, instead, we produce @MonoBinds RdrName@ then heave 'em through
1392 the renamer.  What a great hack!
1393 \end{itemize}
1394
1395 \begin{code}
1396 -- Generate the InstInfo for the required instance paired with the
1397 --   *representation* tycon for that instance,
1398 -- plus any auxiliary bindings required
1399 --
1400 -- Representation tycons differ from the tycon in the instance signature in
1401 -- case of instances for indexed families.
1402 --
1403 genInst :: Bool         -- True <=> standalone deriving
1404         -> OverlapFlag
1405         -> DerivSpec -> TcM (InstInfo RdrName, DerivAuxBinds)
1406 genInst standalone_deriv oflag spec
1407   | ds_newtype spec
1408   = return (InstInfo { iSpec  = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1409                      , iBinds = NewTypeDerived co rep_tycon }, [])
1410
1411   | otherwise
1412   = do  { let loc  = getSrcSpan (ds_name spec)
1413               inst = mkInstance oflag (ds_theta spec) spec
1414               clas = ds_cls spec
1415
1416           -- In case of a family instance, we need to use the representation
1417           -- tycon (after all, it has the data constructors)
1418         ; fix_env <- getFixityEnv
1419         ; let (meth_binds, aux_binds) = genDerivBinds loc fix_env clas rep_tycon
1420               binds = VanillaInst meth_binds [] standalone_deriv
1421         ; return (InstInfo { iSpec = inst, iBinds = binds }, aux_binds)
1422         }
1423   where
1424     rep_tycon   = ds_tc spec
1425     rep_tc_args = ds_tc_args spec
1426     co1 = case tyConFamilyCoercion_maybe rep_tycon of
1427               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1428               Nothing     -> id_co
1429               -- Not a family => rep_tycon = main tycon
1430     co2 = case newTyConCo_maybe rep_tycon of
1431               Just co_con -> ACo (mkTyConApp co_con rep_tc_args)
1432               Nothing     -> id_co  -- The newtype is transparent; no need for a cast
1433     co = co1 `mkTransCoI` co2
1434     id_co = IdCo (mkTyConApp rep_tycon rep_tc_args)
1435
1436 -- Example: newtype instance N [a] = N1 (Tree a) 
1437 --          deriving instance Eq b => Eq (N [(b,b)])
1438 -- From the instance, we get an implicit newtype R1:N a = N1 (Tree a)
1439 -- When dealing with the deriving clause
1440 --    co1 : N [(b,b)] ~ R1:N (b,b)
1441 --    co2 : R1:N (b,b) ~ Tree (b,b)
1442 --    co  : N [(b,b)] ~ Tree (b,b)
1443
1444 genDerivBinds :: SrcSpan -> FixityEnv -> Class -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds)
1445 genDerivBinds loc fix_env clas tycon
1446   | className clas `elem` typeableClassNames
1447   = (gen_Typeable_binds loc tycon, [])
1448
1449   | otherwise
1450   = case assocMaybe gen_list (getUnique clas) of
1451         Just gen_fn -> gen_fn loc tycon
1452         Nothing     -> pprPanic "genDerivBinds: bad derived class" (ppr clas)
1453   where
1454     gen_list :: [(Unique, SrcSpan -> TyCon -> (LHsBinds RdrName, DerivAuxBinds))]
1455     gen_list = [(eqClassKey,       gen_Eq_binds)
1456                ,(ordClassKey,      gen_Ord_binds)
1457                ,(enumClassKey,     gen_Enum_binds)
1458                ,(boundedClassKey,  gen_Bounded_binds)
1459                ,(ixClassKey,       gen_Ix_binds)
1460                ,(showClassKey,     gen_Show_binds fix_env)
1461                ,(readClassKey,     gen_Read_binds fix_env)
1462                ,(dataClassKey,     gen_Data_binds)
1463                ,(functorClassKey,  gen_Functor_binds)
1464                ,(foldableClassKey, gen_Foldable_binds)
1465                ,(traversableClassKey, gen_Traversable_binds)
1466                ]
1467 \end{code}
1468
1469
1470 %************************************************************************
1471 %*                                                                      *
1472 \subsection[TcDeriv-taggery-Names]{What con2tag/tag2con functions are available?}
1473 %*                                                                      *
1474 %************************************************************************
1475
1476 \begin{code}
1477 derivingKindErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Kind -> Message
1478 derivingKindErr tc cls cls_tys cls_kind
1479   = hang (ptext (sLit "Cannot derive well-kinded instance of form")
1480                 <+> quotes (pprClassPred cls cls_tys <+> parens (ppr tc <+> ptext (sLit "..."))))
1481        2 (ptext (sLit "Class") <+> quotes (ppr cls)
1482             <+> ptext (sLit "expects an argument of kind") <+> quotes (pprKind cls_kind))
1483
1484 derivingEtaErr :: Class -> [Type] -> Type -> Message
1485 derivingEtaErr cls cls_tys inst_ty
1486   = sep [ptext (sLit "Cannot eta-reduce to an instance of form"),
1487          nest 2 (ptext (sLit "instance (...) =>")
1488                 <+> pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty]))]
1489
1490 typeFamilyPapErr :: TyCon -> Class -> [Type] -> Type -> Message
1491 typeFamilyPapErr tc cls cls_tys inst_ty
1492   = hang (ptext (sLit "Derived instance") <+> quotes (pprClassPred cls (cls_tys ++ [inst_ty])))
1493        2 (ptext (sLit "requires illegal partial application of data type family") <+> ppr tc) 
1494
1495 derivingThingErr :: Bool -> Class -> [Type] -> Type -> Message -> Message
1496 derivingThingErr newtype_deriving clas tys ty why
1497   = sep [(hang (ptext (sLit "Can't make a derived instance of"))
1498              2 (quotes (ppr pred)) 
1499           $$ nest 2 extra) <> colon,
1500          nest 2 why]
1501   where
1502     extra | newtype_deriving = ptext (sLit "(even with cunning newtype deriving)")
1503           | otherwise        = empty
1504     pred = mkClassPred clas (tys ++ [ty])
1505
1506 derivingHiddenErr :: TyCon -> SDoc
1507 derivingHiddenErr tc
1508   = hang (ptext (sLit "The data constructors of") <+> quotes (ppr tc) <+> ptext (sLit "are not all in scope"))
1509        2 (ptext (sLit "so you cannot derive an instance for it"))
1510
1511 standaloneCtxt :: LHsType Name -> SDoc
1512 standaloneCtxt ty = hang (ptext (sLit "In the stand-alone deriving instance for")) 
1513                        2 (quotes (ppr ty))
1514
1515 derivInstCtxt :: Class -> [Type] -> Message
1516 derivInstCtxt clas inst_tys
1517   = ptext (sLit "When deriving the instance for") <+> parens (pprClassPred clas inst_tys)
1518
1519 badDerivedPred :: PredType -> Message
1520 badDerivedPred pred
1521   = vcat [ptext (sLit "Can't derive instances where the instance context mentions"),
1522           ptext (sLit "type variables that are not data type parameters"),
1523           nest 2 (ptext (sLit "Offending constraint:") <+> ppr pred)]
1524 \end{code}