4cf93e83da60217c0249cc28a1b3a00745fa5caf
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 module TcSimplify (
10         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
11         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
12         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
13         tcSimplifySuperClasses,
14         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
15         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
16
17         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
18         bindInstsOfLocalFuns, 
19         
20         tcSimplifyStagedExpr,
21
22         misMatchMsg
23     ) where
24
25 #include "HsVersions.h"
26
27 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
28 import HsSyn
29
30 import TcRnMonad
31 import TcHsSyn  ( hsLPatType )
32 import Inst
33 import TcEnv
34 import InstEnv
35 import TcType
36 import TcMType
37 import TcIface
38 import TcTyFuns
39 import DsUtils  -- Big-tuple functions
40 import Var
41 import Id
42 import Name
43 import NameSet
44 import Class
45 import FunDeps
46 import PrelInfo
47 import PrelNames
48 import Type
49 import TysWiredIn
50 import ErrUtils
51 import BasicTypes
52 import VarSet
53 import VarEnv
54 import FiniteMap
55 import Bag
56 import Outputable
57 import Maybes
58 import ListSetOps
59 import Util
60 import SrcLoc
61 import DynFlags
62 import FastString
63
64 import Control.Monad
65 import Data.List
66 \end{code}
67
68
69 %************************************************************************
70 %*                                                                      *
71 \subsection{NOTES}
72 %*                                                                      *
73 %************************************************************************
74
75         --------------------------------------
76         Notes on functional dependencies (a bug)
77         --------------------------------------
78
79 Consider this:
80
81         class C a b | a -> b
82         class D a b | a -> b
83
84         instance D a b => C a b -- Undecidable 
85                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
86         f :: C a b => a -> Bool
87         f _ = True
88         
89         g :: C a b => a -> Bool
90         g = f
91
92 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
93 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
94
95 Here is a more complicated example:
96
97 @
98   > class Foo a b | a->b
99   >
100   > class Bar a b | a->b
101   >
102   > data Obj = Obj
103   >
104   > instance Bar Obj Obj
105   >
106   > instance (Bar a b) => Foo a b
107   >
108   > foo:: (Foo a b) => a -> String
109   > foo _ = "works"
110   >
111   > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
112   > runFoo f = f Obj
113
114   *Test> runFoo foo
115
116   <interactive>:1:
117       Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
118         arising from use of `foo' at <interactive>:1
119       Probable fix:
120           Add (Bar a b) to the expected type of an expression
121       In the first argument of `runFoo', namely `foo'
122       In the definition of `it': it = runFoo foo
123
124   Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
125   function foo didn't ask for that...
126 @
127
128 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
129
130         Given constraint        Foo a b
131         Solve constraint        Foo a b'
132
133 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
134 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
135         simplify constraints
136         apply improvement
137         and loop
138
139 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
140 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
141 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
142 from.
143
144 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
145 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
146
147 Note [Choosing which variables to quantify]
148 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
149 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
150
151         G       the environment
152         T       the type of the RHS
153         C       the constraints from that RHS
154
155 The game is to figure out
156
157         Q       the set of type variables over which to quantify
158         Ct      the constraints we will *not* quantify over
159         Cq      the constraints we will quantify over
160
161 So we're going to infer the type
162
163         forall Q. Cq => T
164
165 and float the constraints Ct further outwards.
166
167 Here are the things that *must* be true:
168
169  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
170  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
171
172  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
173  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
174      we won't get a sufficiently general type.  
175
176 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
177 free vars of the environment G.
178
179         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
180
181 Example:        class H x y | x->y where ...
182
183         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
184                         T = c -> b
185
186         (A)  Q intersect {a} is empty
187         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
188
189         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
190
191 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
192 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
193 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
194 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
195
196 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
197 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
198 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
199 choose Q:
200
201         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
202
203 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
204 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
205 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
206 albeit perhaps too many.
207
208 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
209
210         class H x y | x->y where ...
211
212         T = c->c
213         C = (H c d)
214
215   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
216
217         forall c. H c d => c -> b
218
219   And then if the fn was called at several different c's, each of
220   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
221   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
222   everything that might be influenced by c.
223
224 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
225 all the functional dependencies yet:
226
227         class H x y | x->y where ...
228         instance H x y => Eq (T x y) where ...
229
230         T = c->c
231         C = (Eq (T c d))
232
233 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
234 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
235
236 There really isn't any point in quantifying over any more than
237 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
238 any other type variables.
239
240
241
242 -------------------------------------
243         Note [Ambiguity]
244 -------------------------------------
245
246 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
247
248         class K x
249         class H x y | x -> y
250         instance H x y => K (x,y)
251
252 Is this type ambiguous?
253         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
254
255 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
256 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
257 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
258 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
259
260 Here's another example: is this ambiguous?
261         forall a b. Eq (T b) => a -> a
262 Not if there's an insance decl (with no context)
263         instance Eq (T b) where ...
264
265 You may say of this example that we should use the instance decl right
266 away, but you can't always do that:
267
268         class J a b where ...
269         instance J Int b where ...
270
271         f :: forall a b. J a b => a -> a
272
273 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
274 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
275 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
276 when inferring a type for f.
277
278
279
280 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
281 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
282 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
283
284 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
285
286         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
287
288 (all tested before quantification).
289 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
290 in the environment, or by the variables in the type.
291
292 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
293
294         class J a b c | a b -> c
295         fv(G) = {a}
296
297 Is this ambiguous?
298         forall b c. (J a b c) => b -> b
299
300 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
301 do we see that c is fixed.
302
303 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
304 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
305 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
306 only issue a warning.
307
308
309 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
310
311         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
312
313 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
314 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
315 the nasty example?
316
317         class K x
318         class H x y | x -> y
319         instance H x y => K (x,y)
320
321 Is this type ambiguous?
322         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
323
324 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
325 is a "bubble" that's a set of constraints
326
327         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
328
329 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
330 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
331 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
332 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
333 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
334
335
336         --------------------------------------
337                 Notes on principal types
338         --------------------------------------
339
340     class C a where
341       op :: a -> a
342
343     f x = let g y = op (y::Int) in True
344
345 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
346 but we'll produce the non-principal type
347     f :: forall a. C Int => a -> a
348
349
350         --------------------------------------
351         The need for forall's in constraints
352         --------------------------------------
353
354 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
355
356   class C t where op :: t -> Bool
357   instance C [t] where op x = True
358
359   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
360   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
361
362 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
363 the pair on their right-hand sides.  And yet:
364
365   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
366   Hugs rejects q, but accepts p;
367   hbc rejects both p and q;
368   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
369
370 The type signature for f forces context reduction to take place, and
371 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
372 which in turn depends on which component of the pair the type checker
373 analyzes first.  
374
375 Solution: if y::m a, float out the constraints
376         Monad m, forall c. C (m c)
377 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
378
379
380         --------------------------------------
381                 Notes on implicit parameters
382         --------------------------------------
383
384 Note [Inheriting implicit parameters]
385 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
386 Consider this:
387
388         f x = (x::Int) + ?y
389
390 where f is *not* a top-level binding.
391 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
392 There are two types we might infer for f:
393
394         f :: Int -> Int
395
396 (so we get ?y from the context of f's definition), or
397
398         f :: (?y::Int) => Int -> Int
399
400 At first you might think the first was better, becuase then
401 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
402 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
403 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
404 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
405
406 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
407 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
408
409
410 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
411 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
412 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
413 An *implicit parameter* cannot.  For example:
414         foo :: (?x :: [a]) => Int
415         foo = length ?x
416 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
417
418 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
419 propagate to the others.  E.g.
420         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
421         foo = show (?x++?x)
422 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
423 we might have
424         let ?x = 5::Int in foo
425 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
426 so we can take their type variables into account as part of the
427 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
428
429
430 Question 2: type signatures
431 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
432 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
433 to quantify over implicit parameters.  For example:
434
435         (?x + 1) :: Int
436
437 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
438
439         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
440
441 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
442 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
443 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
444 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
445
446 What about when you supply a type signature for a binding?
447 Is it legal to give the following explicit, user type 
448 signature to f, thus:
449
450         f :: Int -> Int
451         f x = (x::Int) + ?y
452
453 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
454 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
455 Consider this:
456
457         (let f x = (x::Int) + ?y
458          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
459
460                 returns (3+6, 3+5)
461 vs
462         (let f :: Int -> Int
463              f x = x + ?y
464          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
465
466                 returns (3+6, 3+6)
467
468 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
469 dynamic semantics.
470
471 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
472 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
473 change the typing you may change the semantics.
474
475 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
476 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
477 rule: 
478
479         a signature does not need to quantify over implicit params.
480
481 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
482 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
483 params for the reasons mentioned above.]
484
485 But that raises a new question.  Consider 
486
487         Given (signature)       ?x::Int
488         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
489
490 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
491 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
492 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
493 to float a constraint that
494         neither mentions any of the quantified type variables
495         nor any of the quantified implicit parameters
496
497 See the predicate isFreeWhenChecking.
498
499
500 Question 3: monomorphism
501 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
502 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
503
504         z = (x::Int) + ?y
505
506 The argument above suggests that we *must* generalise
507 over the ?y parameter, to get
508         z :: (?y::Int) => Int,
509 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
510         z :: Int.
511 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
512
513         let z = x + ?y in z+z
514
515 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
516 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
517
518
519 Question 4: top level
520 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
521 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
522
523     module Main where
524         main = let ?x = 5 in print foo
525
526         foo = woggle 3
527
528         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
529         woggle y = ?x + y
530
531 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
532 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
533
534
535 Possible choices
536 ~~~~~~~~~~~~~~~~
537 (A) Always generalise over implicit parameters
538     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
539         be generalised
540
541     Consequences:
542         * Inlining remains valid
543         * No unexpected loss of sharing
544         * But simple bindings like
545                 z = ?y + 1
546           will be rejected, unless you add an explicit type signature
547           (to avoid the monomorphism restriction)
548                 z :: (?y::Int) => Int
549                 z = ?y + 1
550           This seems unacceptable
551
552 (B) Monomorphism restriction "wins"
553     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
554         be generalised
555     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
556         that fall under the monomorphism restriction
557
558     Consequences
559         * Inlining isn't valid in general
560         * No unexpected loss of sharing
561         * Simple bindings like
562                 z = ?y + 1
563           accepted (get value of ?y from binding site)
564
565 (C) Always generalise over implicit parameters
566     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
567         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
568     Consequences
569         * Inlining remains valid
570         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
571         * Simple bindings like
572                 z = ?y + 1
573           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
574
575
576 Discussion
577 ~~~~~~~~~~
578 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
579 decide which we want to do.
580
581 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
582
583         z = (x::Int) + ?y
584
585 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
586 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
587 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
588 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
589 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
590 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
591
592 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
593 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
594 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
595 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
596 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
597 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
598 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
599 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
600 restriction altogether.
601
602 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
603
604
605
606 %************************************************************************
607 %*                                                                      *
608 \subsection{tcSimplifyInfer}
609 %*                                                                      *
610 %************************************************************************
611
612 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
613
614     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
615
616     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
617        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
618
619     3. Try improvement, using functional dependencies
620
621     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
622        (Unification can change the result of 'grow'.)
623
624 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
625 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
626 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
627 type variables than we absolutely have to.
628
629 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
630 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
631
632         class C x y | x->y where ...
633
634 and tcSimplify is called with:
635         (C Int a, C Int b)
636 Then improvement unifies a with b, giving
637         (C Int a, C Int a)
638
639 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
640 again.
641
642
643 \begin{code}
644 tcSimplifyInfer
645         :: SDoc
646         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
647         -> [Inst]               -- Wanted
648         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
649                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
650                 TcDictBinds)    -- Bindings
651         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
652 \end{code}
653
654
655 \begin{code}
656 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
657   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
658         ; wanted'  <- mapM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
659         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
660         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
661               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
662               qtvs     = growInstsTyVars wanted' tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
663                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
664
665                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
666                 -- constraints that don't mention qtvs at all
667         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
668         ; extendLIEs free
669
670                 -- To make types simple, reduce as much as possible
671         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (growInstsTyVars wanted' tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
672                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
673         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
674
675                 -- Note [Inference and implication constraints]
676         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
677         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
678
679                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
680                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
681                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
682                 --    quantify over any variable free in the environment
683                 --    tc137 (function h inside g) is an example
684                 --
685                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
686                 --    mention quantified type variables, because they are
687                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
688                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
689                 --      g x = fst (f x)
690                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
691                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
692                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
693                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
694                 --    See test tcfail181
695                 --
696                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
697                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
698                 --          wanteds = Foo [a]
699                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
700                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
701         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
702         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
703                 -- Note that we start from gbl_tvs1
704                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
705                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
706                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
707                 --              gbl_tvs = {a}
708                 --              tau_tvs = {b}
709                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
710                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
711         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
712               qtvs   = growInstsTyVars irreds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
713                 ---------------------------------------------------
714                 -- BUG WARNING: there's a nasty bug lurking here
715                 -- fdPredsOfInsts may return preds that mention variables quantified in
716                 -- one of the implication constraints in irreds2; and that is clearly wrong:
717                 -- we might quantify over too many variables through accidental capture
718                 ---------------------------------------------------
719         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
720         ; extendLIEs free
721
722                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
723         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
724
725                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
726                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
727         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
728         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
729         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
730
731                 -- Prepare equality instances for quantification
732         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
733         ; q_eqs <- mapM finalizeEqInst q_eqs0
734
735         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
736         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
737         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
738
739 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
740 -- Note [Inference and implication constraints]
741 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
742 --      - fetching any dicts inside them that are free
743 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
744 --      - returning the extra ones too
745
746 approximateImplications doc want_dict irreds
747   | null extra_dicts 
748   = return (irreds, emptyBag)
749   | otherwise
750   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
751         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
752                 -- By adding extra_dicts', we make them 
753                 -- available to solve the implication constraints
754   where 
755     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
756
757     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
758         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
759         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
760     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
761
762     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
763                          | otherwise   = []
764     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
765         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
766               , d <- get_dicts wanteds 
767               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
768     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
769                            | otherwise   = [] 
770     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
771 \end{code}
772
773 Note [Inference and implication constraints]
774 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
775 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
776 a nested pattern match) like
777         C a => D [a]
778 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
779 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
780         instance (C a, E a) => D [a]
781 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
782 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
783 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
784 with 'given' implications.
785
786 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
787 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
788 the strange function get_dicts in approximateImplications.
789
790 The common cases are more clear-cut, when we have things like
791         forall a. C a => C b
792 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
793 Note [Freeness and implications].
794  
795 See Trac #1430 and test tc228.
796
797
798 \begin{code}
799 -----------------------------------------------------------
800 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
801 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
802 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
803 tcSimplifyInferCheck
804          :: InstLoc
805          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
806          -> [Inst]              -- Given
807          -> [Inst]              -- Wanted
808          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
809                  TcDictBinds)   -- Bindings
810
811 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
812   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
813         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
814
815         -- Figure out which type variables to quantify over
816         -- You might think it should just be the signature tyvars,
817         -- but in bizarre cases you can get extra ones
818         --      f :: forall a. Num a => a -> a
819         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
820         --      g a b = (b,a)
821         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
822         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
823         -- f isn't quantified over b.
824         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
825         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
826         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
827         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
828                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
829                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
830                 -- dictionaries, we quantify over
831
832         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
833
834                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
835         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
836
837         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
838         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
839 \end{code}
840
841 Note [Squashing methods]
842 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
843 Be careful if you want to float methods more:
844         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
845 From an application (truncate f i) we get
846         t1 = truncate at f
847         t2 = t1 at i
848 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
849         t3 = truncate at f
850         t4 = t3 at i
851 When simplifying with i,f free, we might still notice that
852 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
853 may continue to float out!
854
855
856 Note [NO TYVARS]
857 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
858         class Y a b | a -> b where
859             y :: a -> X b
860         
861         instance Y [[a]] a where
862             y ((x:_):_) = X x
863         
864         k :: X a -> X a -> X a
865
866         g :: Num a => [X a] -> [X a]
867         g xs = h xs
868             where
869             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
870
871 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
872 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
873 From this we get t1~t2, but also various bindings.  We can't forget
874 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
875 polymorphic in.  
876
877 The net effect of [NO TYVARS] 
878
879 \begin{code}
880 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
881 isFreeWhenInferring qtvs inst
882   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
883   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
884                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
885
886 {-      No longer used (with implication constraints)
887 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
888                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
889                    -> Inst -> Bool
890 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
891   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
892   && isFreeWrtIPs    ips inst
893 -}
894
895 isFreeWrtTyVars :: VarSet -> Inst -> Bool
896 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
897 isFreeWrtIPs :: NameSet -> Inst -> Bool
898 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
899 \end{code}
900
901
902 %************************************************************************
903 %*                                                                      *
904 \subsection{tcSimplifyCheck}
905 %*                                                                      *
906 %************************************************************************
907
908 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
909 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
910
911 \begin{code}
912 -----------------------------------------------------------
913 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
914 -- class decls, instance decls etc.
915 tcSimplifyCheck :: InstLoc
916                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
917                 -> [Inst]               -- Given
918                 -> [Inst]               -- Wanted
919                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
920 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
921   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
922     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
923         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
924         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
925         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
926
927 -----------------------------------------------------------
928 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
929 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
930                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
931                    -> [Inst]            -- Given
932                    -> [Inst]            -- Wanted
933                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
934 tcSimplifyCheckPat loc qtvs givens wanteds
935   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
936     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
937         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
938         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs givens irreds
939         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
940
941 -----------------------------------------------------------
942 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
943            -> [Inst] -> [Inst]
944            -> TcM TcDictBinds
945 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
946   = bindIrredsR loc qtvs givens irreds
947
948 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [Inst] -> [Inst] -> TcM TcDictBinds      
949 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
950 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
951 bindIrredsR loc qtvs givens irreds
952   | null irreds
953   = return emptyBag
954   | otherwise
955   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
956                 -- The givens can (redundantly) include methods
957                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
958                 -- There should be no implicadtion constraints
959                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
960
961            -- If there are no 'givens', then it's safe to 
962            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
963            -- See Note [Freeness and implications]
964         ; irreds' <- if null givens'
965                      then do
966                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
967                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
968                         ; extendLIEs frees
969                         ; return real_irreds }
970                      else return irreds
971         
972         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc qtvs givens' irreds'
973                         -- This call does the real work
974                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
975         ; extendLIEs implics
976         ; return bind } 
977
978
979 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar]
980                     -> [Inst] -> [Inst]
981                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
982 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
983 -- constraint for them.
984 --
985 -- The binding looks like
986 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
987 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
988 --      f :: forall qtvs. givens => (ir1, .., irn)
989 -- qtvs includes coercion variables
990 --
991 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
992 makeImplicationBind loc all_tvs
993                     givens      -- Guaranteed all Dicts or EqInsts
994                     irreds
995  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
996  = return ([], emptyBag)
997  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
998  = do   { uniq <- newUnique 
999         ; span <- getSrcSpanM
1000         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
1001
1002                 -- extract equality binders
1003               eq_cotvs = map eqInstType eq_givens
1004
1005                 -- make the implication constraint instance
1006               name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
1007               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
1008                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1009                                          tci_given = eq_givens ++ dict_givens,
1010                                                        -- same order as binders
1011                                          tci_wanted = irreds, 
1012                                          tci_loc = loc }
1013
1014                 -- create binders for the irreducible dictionaries
1015               dict_irreds    = filter (not . isEqInst) irreds
1016               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1017               lpat = mkBigLHsPatTup (map (L span . VarPat) dict_irred_ids)
1018
1019                 -- create the binding
1020               rhs  = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1021               co   =     mkWpApps (map instToId dict_givens)
1022                      <.> mkWpTyApps eq_cotvs
1023                      <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1024               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  
1025                    = VarBind dict_irred_id rhs
1026                    | otherwise        
1027                    = PatBind { pat_lhs = lpat
1028                              , pat_rhs = unguardedGRHSs rhs 
1029                              , pat_rhs_ty = hsLPatType lpat
1030                              , bind_fvs = placeHolderNames 
1031                              }
1032
1033         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1034         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1035         }
1036
1037 -----------------------------------------------------------
1038 tryHardCheckLoop :: SDoc
1039              -> [Inst]                  -- Wanted
1040              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1041
1042 tryHardCheckLoop doc wanteds
1043   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkInferRedEnv doc try_me) wanteds
1044        ; return (irreds,binds)
1045        }
1046   where
1047     try_me _ = ReduceMe
1048         -- Here's the try-hard bit
1049
1050 -----------------------------------------------------------
1051 gentleCheckLoop :: InstLoc
1052                -> [Inst]                -- Given
1053                -> [Inst]                -- Wanted
1054                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1055
1056 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1057   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1058        ; return (irreds,binds)
1059        }
1060   where
1061     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1062
1063     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1064                 | otherwise          = Stop
1065         -- When checking against a given signature 
1066         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1067
1068 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1069                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1070 gentleInferLoop doc wanteds
1071   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1072         ; return (irreds, binds) }
1073   where
1074     env = mkInferRedEnv doc try_me
1075     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1076                 | otherwise          = Stop
1077 \end{code}
1078
1079 Note [Check gently]
1080 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1081 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1082 Example:  
1083   data T a where
1084     MkT :: a -> T [a]
1085
1086   f :: Show b => T b -> b
1087   f (MkT x) = show [x]
1088
1089 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1090         b ~ [a]
1091 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1092 need it.  We are going to build an implication contraint
1093         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1094 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1095         
1096 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1097 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1098 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1099 work until top level, when we solve the implication constraint
1100 with tryHardCheckLooop.
1101
1102
1103 \begin{code}
1104 -----------------------------------------------------------
1105 checkLoop :: RedEnv
1106           -> [Inst]                     -- Wanted
1107           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1108 -- Precondition: givens are completely rigid
1109 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1110
1111 checkLoop env wanteds
1112   = go env wanteds
1113   where go env wanteds
1114           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1115                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1116                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1117         
1118                 ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env' wanteds'
1119
1120                 ; if null irreds || not improved then
1121                     return (irreds, binds)
1122                   else do
1123         
1124                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1125                 -- We start again with irreds, not wanteds
1126                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1127                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1128                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1129                 -- See Note [LOOP]
1130                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds
1131                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1132 \end{code}
1133
1134 Note [Zonking RedEnv]
1135 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1136 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1137 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1138 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1139 testsuite is
1140
1141   class Modular s a | s -> a
1142
1143   wim ::  forall a w. Integral a 
1144                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1145   wim i k = error "urk"
1146
1147   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1148   test5  =   error "urk"
1149
1150   test4   =   wim 4 test4'
1151
1152 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1153 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1154 whether the signature of test5 is an instance of 
1155
1156   (forall s. Modular s a => M s w)
1157
1158 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1159 givens. 
1160
1161 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1162 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1163 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1164 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1165 Unify.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1166
1167
1168 Note [LOOP]
1169 ~~~~~~~~~~~
1170         class If b t e r | b t e -> r
1171         instance If T t e t
1172         instance If F t e e
1173         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1174         instance Lte Z b T
1175         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1176
1177 Wanted: Max Z (S x) y
1178
1179 Then we'll reduce using the Max instance to:
1180         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1181 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1182 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1183 with (Max Z (S x) y)!
1184
1185
1186
1187 %************************************************************************
1188 %*                                                                      *
1189                 tcSimplifySuperClasses
1190 %*                                                                      *
1191 %************************************************************************
1192
1193 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1194 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1195 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1196 accidentally build a loop. Here's an example:
1197
1198   class S a
1199
1200   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1201   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1202   
1203   instance C Int where
1204      opc = opd
1205   
1206   instance D Int where
1207      opd = opc
1208
1209 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1210 Simplifying, we may well get:
1211         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1212         dd  = $dfDInt
1213         ds1 = $p1 dd
1214 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1215
1216 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1217
1218         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1219         dc  = $dfCInt
1220         ds2 = $p1 dc
1221
1222 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1223 Two more nasty cases are in
1224         tcrun021
1225         tcrun033
1226
1227 Solution: 
1228   - Satisfy the superclass context *all by itself* 
1229     (tcSimplifySuperClasses)
1230   - And do so completely; i.e. no left-over constraints
1231     to mix with the constraints arising from method declarations
1232
1233
1234 Note [Recursive instances and superclases]
1235 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1236 Consider this code, which arises in the context of "Scrap Your 
1237 Boilerplate with Class".  
1238
1239     class Sat a
1240     class Data ctx a
1241     instance  Sat (ctx Char)             => Data ctx Char
1242     instance (Sat (ctx [a]), Data ctx a) => Data ctx [a]
1243
1244     class Data Maybe a => Foo a
1245
1246     instance Foo t => Sat (Maybe t)
1247
1248     instance Data Maybe a => Foo a
1249     instance Foo a        => Foo [a]
1250     instance                 Foo [Char]
1251
1252 In the instance for Foo [a], when generating evidence for the superclasses
1253 (ie in tcSimplifySuperClasses) we need a superclass (Data Maybe [a]).
1254 Using the instance for Data, we therefore need
1255         (Sat (Maybe [a], Data Maybe a)
1256 But we are given (Foo a), and hence its superclass (Data Maybe a).
1257 So that leaves (Sat (Maybe [a])).  Using the instance for Sat means
1258 we need (Foo [a]).  And that is the very dictionary we are bulding
1259 an instance for!  So we must put that in the "givens".  So in this
1260 case we have
1261         Given:  Foo a, Foo [a]
1262         Watend: Data Maybe [a]
1263
1264 BUT we must *not not not* put the *superclasses* of (Foo [a]) in
1265 the givens, which is what 'addGiven' would normally do. Why? Because
1266 (Data Maybe [a]) is the superclass, so we'd "satisfy" the wanted 
1267 by selecting a superclass from Foo [a], which simply makes a loop.
1268
1269 On the other hand we *must* put the superclasses of (Foo a) in
1270 the givens, as you can see from the derivation described above.
1271
1272 Conclusion: in the very special case of tcSimplifySuperClasses
1273 we have one 'given' (namely the "this" dictionary) whose superclasses
1274 must not be added to 'givens' by addGiven.  
1275
1276 There is a complication though.  Suppose there are equalities
1277       instance (Eq a, a~b) => Num (a,b)
1278 Then we normalise the 'givens' wrt the equalities, so the original
1279 given "this" dictionary is cast to one of a different type.  So it's a
1280 bit trickier than before to identify the "special" dictionary whose
1281 superclasses must not be added. See test
1282    indexed-types/should_run/EqInInstance
1283
1284 We need a persistent property of the dictionary to record this
1285 special-ness.  Current I'm using the InstLocOrigin (a bit of a hack,
1286 but cool), which is maintained by dictionary normalisation.
1287 Specifically, the InstLocOrigin is
1288              NoScOrigin
1289 then the no-superclass thing kicks in.  WATCH OUT if you fiddle
1290 with InstLocOrigin!
1291
1292 \begin{code}
1293 tcSimplifySuperClasses
1294         :: InstLoc 
1295         -> Inst         -- The dict whose superclasses 
1296                         -- are being figured out
1297         -> [Inst]       -- Given 
1298         -> [Inst]       -- Wanted
1299         -> TcM TcDictBinds
1300 tcSimplifySuperClasses loc this givens sc_wanteds
1301   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1302
1303               -- Note [Recursive instances and superclases]
1304         ; no_sc_loc <- getInstLoc NoScOrigin
1305         ; let no_sc_this = setInstLoc this no_sc_loc
1306
1307         ; let env =  RedEnv { red_doc = pprInstLoc loc, 
1308                               red_try_me = try_me,
1309                               red_givens = no_sc_this : givens, 
1310                               red_stack = (0,[]),
1311                               red_improve = False }  -- No unification vars
1312
1313
1314         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1315         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1316         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) [] tidy_irreds
1317         ; return binds1 }
1318   where
1319     try_me _ = ReduceMe  -- Try hard, so we completely solve the superclass 
1320                          -- constraints right here. See Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1321 \end{code}
1322
1323
1324 %************************************************************************
1325 %*                                                                      *
1326 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1327 %*                                                                      *
1328 %************************************************************************
1329
1330 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1331 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1332
1333 Eg1:    id = \x -> x
1334         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1335         
1336 Eg2:    eq = (==)
1337         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1338         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1339
1340 So, assume:
1341         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1342         RHS has constraints 'wanteds'
1343
1344 Plan A (simple)
1345   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1346   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1347   where we have         instance Monad (ST s) where...
1348   so there's no need to be monomorphic in s!
1349
1350   Also the constraint might be a method constraint,
1351   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1352           op :: Num a => a -> b -> a
1353   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1354         foo = op (3::Int)
1355   We want to infer the polymorphic type
1356         foo :: forall b. b -> b
1357
1358
1359 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1360   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1361   with Plan A's problem).  Then set
1362         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1363
1364   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1365   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1366   The reasons for this is to maximise sharing.
1367
1368   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1369   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1370   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1371   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1372   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1373   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1374   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1375
1376   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1377   the problem.
1378
1379
1380 Plan C (brutal)
1381   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1382   with Plan A's problem).  Then set
1383         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1384   Return the bindings from Step 1.
1385   
1386
1387 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1388 Consider this:
1389
1390       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1391
1392       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1393
1394       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1395       doDecodeIO codedValue view  
1396         = let { act = foo "foo" } in  act
1397
1398 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1399 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1400 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1401 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1402
1403 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1404 plan D
1405
1406
1407 Plan D (a variant of plan B)
1408   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1409   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1410         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1411
1412   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1413   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1414
1415   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1416   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1417   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1418   can always add a signature.  
1419
1420   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1421   improvement.
1422
1423
1424 \begin{code}
1425 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1426                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1427         :: SDoc
1428         -> TopLevelFlag
1429         -> [Name]               -- Things bound in this group
1430         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1431         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1432         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1433                 TcDictBinds)    -- Bindings
1434         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1435         -- quantify over; by definition there are none.
1436         -- They are all thrown back in the LIE
1437
1438 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1439         -- Zonk everything in sight
1440   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1441         ; wanteds_z <- zonkInsts wanteds
1442
1443         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1444         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1445         -- variables as possible, and we don't want to stop
1446         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1447         -- immediately, with no constraint on s.
1448         --
1449         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1450         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1451         --          a method Inst with an equality constraint
1452         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\_ -> ReduceMe)
1453         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds_z
1454
1455         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1456         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1457         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1458         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1459
1460         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1461                                 -- As in tcSimplifyInfer
1462
1463                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1464                 -- this is the monomorphism restriction
1465               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1466               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1467               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1468
1469         -- Warn in the mono
1470         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1471         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1472                  (vcat[ ptext (sLit "the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1473                                 <> plural bndrs <+> ptext (sLit "for") <+> pp_bndrs,
1474                         ptext (sLit "Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1475
1476         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1477                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1478                 ppr _binds,
1479                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1480
1481           -- Zonk wanteds again!  The first call to reduceContext may have
1482           -- instantiated some variables. 
1483           -- FIXME: If red_improve would work, we could propagate that into
1484           --        the equality solver, too, to prevent instantating any
1485           --        variables.
1486         ; wanteds_zz <- zonkInsts wanteds_z
1487
1488         -- The first step may have squashed more methods than
1489         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1490         -- set of type variables to quantify over.
1491         --
1492         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1493         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1494         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1495         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1496         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1497         --
1498         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1499         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1500         -- just to float all constraints
1501         --
1502         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1503         -- expose implicit parameters to the test that follows
1504         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1505               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1506                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1507                           | otherwise                       = ReduceMe 
1508               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1509         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds_zz
1510
1511         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1512         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1513           if is_nested_group then
1514                 extendLIEs irreds
1515           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1516                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1517                   ; extendLIEs non_ips }
1518
1519         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1520         ; return (qtvs', binds) }
1521 \end{code}
1522
1523
1524 %************************************************************************
1525 %*                                                                      *
1526                 tcSimplifyRuleLhs
1527 %*                                                                      *
1528 %************************************************************************
1529
1530 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1531 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1532 as the available stuff for the RHS of the rule.
1533
1534 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1535         
1536         f (x == y) (y > z) = ...
1537
1538 If we typecheck this expression we get constraints
1539
1540         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1541
1542 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1543
1544         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1545           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1546
1547 Instead we want 
1548
1549         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1550           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1551
1552 Here is another example:
1553
1554         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1555         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1556
1557 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1558 we *dont* want to get
1559
1560         forall dIntegralInt.
1561            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1562
1563 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1564
1565         forall dIntegralInt, dNumInt.
1566           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1567
1568 Even if we have 
1569
1570         g (x == y) (y == z) = ..
1571
1572 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1573
1574         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1575           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1576
1577 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1578 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1579
1580 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1581 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1582 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc.
1583 Simpler, maybe, but alas not simple (see Trac #2494)
1584
1585 * Type errors may give rise to an (unsatisfiable) equality constraint
1586
1587 * Applications of a higher-rank function on the LHS may give
1588   rise to an implication constraint, esp if there are unsatisfiable
1589   equality constraints inside.
1590
1591 \begin{code}
1592 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1593 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1594   = do  { wanteds' <- zonkInsts wanteds
1595         ; (irreds, binds) <- go [] emptyBag wanteds'
1596         ; let (dicts, bad_irreds) = partition isDict irreds
1597         ; traceTc (text "tcSimplifyrulelhs" <+> pprInsts bad_irreds)
1598         ; addNoInstanceErrs (nub bad_irreds)
1599                 -- The nub removes duplicates, which has
1600                 -- not happened otherwise (see notes above)
1601         ; return (dicts, binds) }
1602   where
1603     go :: [Inst] -> TcDictBinds -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1604     go irreds binds []
1605         = return (irreds, binds)
1606     go irreds binds (w:ws)
1607         | isDict w
1608         = go (w:irreds) binds ws
1609         | isImplicInst w        -- Have a go at reducing the implication
1610         = do { (binds1, irreds1) <- reduceImplication red_env w
1611              ; let (bad_irreds, ok_irreds) = partition isImplicInst irreds1
1612              ; go (bad_irreds ++ irreds) 
1613                   (binds `unionBags` binds1) 
1614                   (ok_irreds ++ ws)}
1615         | otherwise
1616         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1617                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1618              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1619              ; case lookup_result of
1620                  NoInstance      -> go (w:irreds) binds ws
1621                  GenInst ws' rhs -> go irreds binds' (ws' ++ ws)
1622                         where
1623                           binds' = addInstToDictBind binds w rhs
1624           }
1625
1626         -- Sigh: we need to reduce inside implications
1627     red_env = mkInferRedEnv doc try_me
1628     doc = ptext (sLit "Implication constraint in RULE lhs")
1629     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1630                 | otherwise          = Stop     -- Be gentle
1631 \end{code}
1632
1633 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1634 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1635 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1636 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1637 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1638 this bracket again at its usage site.
1639
1640 \begin{code}
1641 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1642 tcSimplifyBracket wanteds
1643   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1644         ; return () }
1645   where
1646     doc = text "tcSimplifyBracket"
1647 \end{code}
1648
1649
1650 %************************************************************************
1651 %*                                                                      *
1652 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1653 %*                                                                      *
1654 %************************************************************************
1655
1656 When we have
1657         let ?x = R in B
1658
1659 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1660 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1661
1662 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1663
1664         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1665         let ?x = 3 in f 'c'
1666
1667 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1668 force the binding for ?x to be of type Int.
1669
1670 \begin{code}
1671 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1672               -> [Inst]         -- Wanted
1673               -> TcM TcDictBinds
1674         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1675         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1676         --      let ?x = e in ?x
1677         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1678         -- makes them the same.
1679
1680 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1681   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1682         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1683                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1684
1685         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1686         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1687
1688         ; if null irreds || not improved then 
1689                 ASSERT( all is_free irreds )
1690                 do { extendLIEs irreds
1691                    ; return binds }
1692           else do
1693         -- If improvement did some unification, we go round again.
1694         -- We start again with irreds, not wanteds
1695         -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1696         -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1697         -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1698         -- See Note [LOOP]
1699         { binds1 <- tcSimplifyIPs given_ips' irreds
1700         ; return $ binds `unionBags` binds1
1701         } }
1702   where
1703     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1704     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1705     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1706
1707         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1708     try_me inst | is_free inst = Stop
1709                 | otherwise    = ReduceMe
1710 \end{code}
1711
1712
1713 %************************************************************************
1714 %*                                                                      *
1715 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1716 %*                                                                      *
1717 %************************************************************************
1718
1719 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1720 For example, we might have...
1721 \begin{verbatim}
1722 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1723     f.1 = f Int     -- two instances of f
1724     f.2 = f Float
1725  in
1726     (f.1 5, f.2 6.7)
1727 \end{verbatim}
1728 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1729 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1730 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1731 there, they would have unresolvable references to @f@.
1732
1733 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1734 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1735 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1736 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1737
1738 \begin{code}
1739 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1740 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1741 --      fm = f tys dicts
1742 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1743 --      d1 = d2
1744 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1745 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1746
1747 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1748   | null overloaded_ids = do
1749         -- Common case
1750     extendLIEs wanteds
1751     return emptyLHsBinds
1752
1753   | otherwise
1754   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1755         ; extendLIEs not_for_me 
1756         ; extendLIEs irreds
1757         ; return binds }
1758   where
1759     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1760     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1761     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1762     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1763
1764     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1765                                                 -- so it's worth building a set, so that
1766                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1767 \end{code}
1768
1769
1770 %************************************************************************
1771 %*                                                                      *
1772 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1773 %*                                                                      *
1774 %************************************************************************
1775
1776 The main control over context reduction is here
1777
1778 \begin{code}
1779 data RedEnv 
1780   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1781            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1782            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1783            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1784                                                 -- Always dicts & equalities
1785                                                 -- but see Note [Rigidity]
1786  
1787            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1788                                                 -- See Note [RedStack]
1789   }
1790
1791 -- Note [Rigidity]
1792 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1793 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1794 --      let ?x = e in ...
1795 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1796 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1797
1798 -- Note [RedStack]
1799 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1800 -- 'n' is always the depth of the stack.
1801 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1802 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1803
1804
1805 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1806 mkRedEnv doc try_me givens
1807   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1808              red_givens = givens, 
1809              red_stack = (0,[]),
1810              red_improve = True }       
1811
1812 mkInferRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1813 -- No givens at all
1814 mkInferRedEnv doc try_me
1815   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1816              red_givens = [], 
1817              red_stack = (0,[]),
1818              red_improve = True }       
1819
1820 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1821 -- Do not do improvement; no givens
1822 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1823   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1824              red_givens = [], 
1825              red_stack = (0,[]),
1826              red_improve = True }       
1827
1828 data WhatToDo
1829  = ReduceMe     -- Try to reduce this
1830                 -- If there's no instance, add the inst to the 
1831                 -- irreductible ones, but don't produce an error 
1832                 -- message of any kind.
1833                 -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1834
1835  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1836                         -- be reduced to a constant in one step
1837                         -- Do not add superclasses; see 
1838
1839 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1840                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1841         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1842         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1843
1844 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1845 zonkRedEnv env
1846   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1847        ; return $ env {red_givens = givens'}
1848        }
1849 \end{code}
1850
1851
1852 %************************************************************************
1853 %*                                                                      *
1854 \subsection[reduce]{@reduce@}
1855 %*                                                                      *
1856 %************************************************************************
1857
1858 Note [Ancestor Equalities]
1859 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1860 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1861 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1862 class constraints.  Consider the following code
1863
1864   class a ~ Int => C a
1865   instance C Int
1866
1867 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1868 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1869 discharge with the explicit instance.
1870
1871 \begin{code}
1872 reduceContext :: RedEnv
1873               -> [Inst]                 -- Wanted
1874               -> TcM (ImprovementDone,
1875                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1876                       [Inst])           -- Irreducible
1877
1878 reduceContext env wanteds0
1879   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1880              text "----------------------",
1881              red_doc env,
1882              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1883              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1884              text "----------------------"
1885              ]))
1886
1887           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1888           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1889           -- See Note [Ancestor Equalities]
1890         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanteds0
1891         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1892
1893           -- Normalise and solve all equality constraints as far as possible
1894           -- and normalise all dictionary constraints wrt to the reduced
1895           -- equalities.  The returned wanted constraints include the
1896           -- irreducible wanted equalities.
1897         ; let wanteds = wanteds0 ++ ancestor_eqs
1898               givens  = red_givens env
1899         ; (givens', 
1900            wanteds', 
1901            normalise_binds,
1902            eq_improved)     <- tcReduceEqs givens wanteds
1903         ; traceTc $ text "reduceContext: tcReduceEqs result" <+> vcat
1904                       [ppr givens', ppr wanteds', ppr normalise_binds]
1905
1906           -- Build the Avail mapping from "given_dicts"
1907         ; (init_state, _) <- getLIE $ do 
1908                 { init_state <- foldlM addGiven emptyAvails givens'
1909                 ; return init_state
1910                 }
1911
1912           -- Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1913           -- This may expose some further equational constraints in the course
1914           -- of improvement due to functional dependencies if any of the
1915           -- involved unifications gets deferred.
1916         ; let (wanted_implics, wanted_dicts) = partition isImplicInst wanteds'
1917         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1918                    -- The getLIE is reqd because reduceList does improvement
1919                    -- (via extendAvails) which may in turn do unification
1920         ; (dict_binds, 
1921            bound_dicts, 
1922            dict_irreds)       <- extractResults avails wanted_dicts
1923         ; traceTc $ text "reduceContext: extractResults" <+> vcat
1924                       [ppr avails, ppr wanted_dicts, ppr dict_binds]
1925
1926           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1927           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1928           --              *or* for which we now have bindings, 
1929           --              *or* which are now irreds
1930           -- NB: Equality irreds need to be converted, as the recursive 
1931           --     invocation of the solver will still treat them as wanteds
1932           --     otherwise.
1933         ; let implic_env = env { red_givens 
1934                                    = givens ++ bound_dicts ++
1935                                      map wantedToLocalEqInst dict_irreds }
1936         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) 
1937             <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics
1938         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1939               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1940
1941           -- Collect all irreducible instances, and determine whether we should
1942           -- go round again.  We do so in either of two cases:
1943           -- (1) If dictionary reduction or equality solving led to
1944           --     improvement (i.e., instantiated type variables).
1945           -- (2) If we reduced dictionaries (i.e., got dictionary bindings),
1946           --     they may have exposed further opportunities to normalise
1947           --     family applications.  See Note [Dictionary Improvement]
1948           --
1949           -- NB: We do *not* go around for new extra_eqs.  Morally, we should,
1950           --     but we can't without risking non-termination (see #2688).  By
1951           --     not going around, we miss some legal programs mixing FDs and
1952           --     TFs, but we never claimed to support such programs in the
1953           --     current implementation anyway.
1954
1955         ; let all_irreds       = dict_irreds ++ implic_irreds ++ extra_eqs
1956               avails_improved  = availsImproved avails
1957               improvedFlexible = avails_improved || eq_improved
1958               reduced_dicts    = not (isEmptyBag dict_binds)
1959               improved         = improvedFlexible || reduced_dicts
1960               --
1961               improvedHint  = (if avails_improved then " [AVAILS]" else "") ++
1962                               (if eq_improved then " [EQ]" else "")
1963
1964         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1965              text "----------------------",
1966              red_doc env,
1967              text "given" <+> ppr givens,
1968              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1969              text "----",
1970              text "avails" <+> pprAvails avails,
1971              text "improved =" <+> ppr improved <+> text improvedHint,
1972              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1973              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1974              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1975              text "----------------------"
1976              ]))
1977
1978         ; return (improved, 
1979                   normalise_binds `unionBags` dict_binds 
1980                                   `unionBags` implic_binds, 
1981                   all_irreds) 
1982         }
1983
1984 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1985 tcImproveOne avails inst
1986   | not (isDict inst) = return False
1987   | otherwise
1988   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1989         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1990                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1991                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1992                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1993                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1994                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1995                 -- It does not have duplicates (good)
1996                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in 
1997                 --    avails so that improve will see them separate
1998         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1999         ; unifyEqns eqns }
2000
2001 unifyEqns :: [(Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc))] 
2002           -> TcM ImprovementDone
2003 unifyEqns [] = return False
2004 unifyEqns eqns
2005   = do  { traceTc (ptext (sLit "Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
2006         ; improved <- mapM unify eqns
2007         ; return $ or improved
2008         }
2009   where
2010     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
2011          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ 
2012              do { let freeTyVars = unionVarSets (map tvs_pr pairs) 
2013                                    `minusVarSet` qtvs
2014                 ; (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
2015                 ; mapM_ (unif_pr tenv) pairs
2016                 ; anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems freeTyVars
2017                 }
2018
2019     unif_pr tenv (ty1, ty2) = unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
2020
2021     tvs_pr (ty1, ty2) = tyVarsOfType ty1 `unionVarSet` tyVarsOfType ty2
2022
2023 pprEquationDoc :: (Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc)) -> SDoc
2024 pprEquationDoc (eqn, (p1, _), (p2, _)) 
2025   = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
2026
2027 mkEqnMsg :: (TcPredType, SDoc) -> (TcPredType, SDoc) -> TidyEnv
2028          -> TcM (TidyEnv, SDoc)
2029 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
2030   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1
2031         ; pred2' <- zonkTcPredType pred2
2032         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'
2033               ; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
2034         ; let msg = vcat [ptext (sLit "When using functional dependencies to combine"),
2035                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
2036                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
2037         ; return (tidy_env, msg) }
2038 \end{code}
2039
2040 Note [Dictionary Improvement]
2041 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2042 In reduceContext, we first reduce equalities and then class constraints.
2043 However, the letter may expose further opportunities for the former.  Hence,
2044 we need to go around again if dictionary reduction produced any dictionary
2045 bindings.  The following example demonstrated the point:
2046
2047   data EX _x _y (p :: * -> *)
2048   data ANY
2049
2050   class Base p
2051
2052   class Base (Def p) => Prop p where
2053    type Def p
2054
2055   instance Base ()
2056   instance Prop () where
2057    type Def () = ()
2058
2059   instance (Base (Def (p ANY))) => Base (EX _x _y p)
2060   instance (Prop (p ANY)) => Prop (EX _x _y p) where
2061    type Def (EX _x _y p) = EX _x _y p
2062
2063   data FOO x
2064   instance Prop (FOO x) where
2065    type Def (FOO x) = ()
2066
2067   data BAR
2068   instance Prop BAR where
2069    type Def BAR = EX () () FOO
2070
2071 During checking the last instance declaration, we need to check the superclass
2072 cosntraint Base (Def BAR), which family normalisation reduced to 
2073 Base (EX () () FOO).  Chasing the instance for Base (EX _x _y p), gives us
2074 Base (Def (FOO ANY)), which again requires family normalisation of Def to
2075 Base () before we can finish.
2076
2077
2078 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
2079
2080 \begin{code}
2081 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
2082 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
2083   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
2084         ; dopts <- getDOpts
2085         ; when (debugIsOn && (n > 8)) $ do
2086                 debugDumpTcRn (hang (ptext (sLit "Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
2087                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
2088         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
2089             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
2090           else
2091             go wanteds state }
2092   where
2093     go []     state = return state
2094     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
2095                          ; go ws state' }
2096
2097     -- Base case: we're done!
2098 reduce :: RedEnv -> Inst -> Avails -> TcM Avails
2099 reduce env wanted avails
2100
2101     -- We don't reduce equalities here (and they must not end up as irreds
2102     -- in the Avails!)
2103   | isEqInst wanted
2104   = return avails
2105
2106     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
2107   | Just _ <- findAvail avails wanted
2108   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
2109        ; return avails
2110        }
2111
2112   | otherwise
2113   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
2114         ; case red_try_me env wanted of {
2115             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
2116                         -- See Note [No superclasses for Stop]
2117
2118             ReduceMe -> do      -- It should be reduced
2119                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
2120                 ; case lookup_result of
2121                     NoInstance -> addIrred AddSCs avails wanted
2122                              -- Add it and its superclasses
2123                              
2124                     GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2125
2126                     GenInst wanteds' rhs
2127                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
2128                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
2129                                 ; addWanted AddSCs avails2 wanted rhs wanteds' } }
2130                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
2131                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
2132                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
2133                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2134                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
2135                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
2136                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
2137                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
2138     } }
2139   where
2140         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
2141         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
2142         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
2143     try_simple do_this_otherwise
2144       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
2145            ; case res of
2146                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2147                 _              -> do_this_otherwise avails wanted }
2148 \end{code}
2149
2150
2151 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2152 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2153 Consider 
2154     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2155     
2156     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2157         ZeroD     == ZeroD     = True
2158         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2159         _         == _         = False;
2160     
2161     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2162     equalDC = (==);
2163
2164 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2165
2166         d1 : Eq (D [])
2167
2168 by instance decl, holds if
2169         d2 : Eq [D []]
2170         where   d1 = dfEqD d2
2171
2172 by instance decl of Eq, holds if
2173         d3 : D []
2174         where   d2 = dfEqList d3
2175                 d1 = dfEqD d2
2176
2177 But now we can "tie the knot" to give
2178
2179         d3 = d1
2180         d2 = dfEqList d3
2181         d1 = dfEqD d2
2182
2183 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2184 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2185 contributing clauses.
2186         
2187 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2188 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2189 We need to be careful when adding "the constaint we are trying to prove".
2190 Suppose we are *given* d1:Ord a, and want to deduce (d2:C [a]) where
2191
2192         class Ord a => C a where
2193         instance Ord [a] => C [a] where ...
2194
2195 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2196 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2197 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2198 build a loop! 
2199
2200 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2201         class Monad m => C1 m
2202         class C1 m => C2 m x
2203         instance C2 Maybe Bool
2204 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2205 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2206 before we search for C1 Maybe.
2207
2208 Here's another example 
2209         class Eq b => Foo a b
2210         instance Eq a => Foo [a] a
2211 If we are reducing
2212         (Foo [t] t)
2213
2214 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2215 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2216
2217 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2218 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2219 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2220 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2221 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2222 first time, but reducible next time.
2223
2224 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2225 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2226
2227
2228
2229 %************************************************************************
2230 %*                                                                      *
2231                 Reducing a single constraint
2232 %*                                                                      *
2233 %************************************************************************
2234
2235 \begin{code}
2236 ---------------------------------------------
2237 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2238 reduceInst _ avails other_inst
2239   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2240         ; return (avails, result) }
2241 \end{code}
2242
2243 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2244 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2245
2246 An implication constraint is of the form 
2247         Given => Wanted 
2248 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2249 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2250 is distinct:
2251
2252 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2253    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2254    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2255    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2256
2257 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2258    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2259    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2260    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2261    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2262    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2263
2264 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2265 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2266 which are types.
2267
2268 \begin{code}
2269 ---------------------------------------------
2270 reduceImplication :: RedEnv
2271                   -> Inst
2272                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2273 \end{code}
2274
2275 Suppose we are simplifying the constraint
2276         forall bs. extras => wanted
2277 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2278
2279 Note that
2280   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2281         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2282                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2283
2284     This happens when you have something like
2285         data T a where
2286           T1 :: Eq a => a -> T a
2287
2288         f :: T a -> Int
2289         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2290
2291 \begin{code}
2292         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2293         --
2294         -- Note on coercion variables:
2295         --
2296         --      The extra given coercion variables are bound at two different 
2297         --      sites:
2298         --
2299         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2300         --              the solved equational constraints use these binders
2301         --
2302         --      -) at the solving site of the implication constraint
2303         --              the solved dictionaries use these binders;
2304         --              these binders are generated by reduceImplication
2305         --
2306         -- Note [Binders for equalities]
2307         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2308         -- To reuse the binders of local/given equalities in the binders of 
2309         -- implication constraints, it is crucial that these given equalities
2310         -- always have the form
2311         --   cotv :: t1 ~ t2
2312         -- where cotv is a simple coercion type variable (and not a more
2313         -- complex coercion term).  We require that the extra_givens always
2314         -- have this form and exploit the special form when generating binders.
2315 reduceImplication env
2316         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2317                                   tci_tyvars = tvs,
2318                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds
2319                                  })
2320   = do  {       -- Solve the sub-problem
2321         ; let try_me _ = ReduceMe  -- Note [Freeness and implications]
2322               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2323                          , red_doc = sep [ptext (sLit "reduceImplication for") 
2324                                             <+> ppr name,
2325                                           nest 2 (parens $ ptext (sLit "within")
2326                                                            <+> red_doc env)]
2327                          , red_try_me = try_me }
2328
2329         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2330                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2331                           ppr wanteds])
2332         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2333
2334         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2335                         [ppr irreds, ppr binds])
2336
2337         ; -- extract superclass binds
2338           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2339 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2340 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2341 --  
2342
2343         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2344         -- Then we must iterate the outer loop too!
2345
2346         ; didntSolveWantedEqs <- allM wantedEqInstIsUnsolved wanteds
2347                                    -- we solve wanted eqs by side effect!
2348
2349             -- Progress is no longer measered by the number of bindings
2350             -- If there are any irreds, but no bindings and no solved
2351             -- equalities, we back off and do nothing
2352         ; let backOff = isEmptyLHsBinds binds &&   -- no new bindings
2353                         (not $ null irreds)   &&   -- but still some irreds
2354                         didntSolveWantedEqs        -- no instantiated cotv
2355
2356         ; if backOff then       -- No progress
2357                 return (emptyBag, [orig_implic])
2358           else do
2359         { (simpler_implic_insts, bind) 
2360             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2361                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2362                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2363                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2364                 -- when inferring types.
2365
2366         ; let   -- extract Id binders for dicts and CoTyVar binders for eqs;
2367                 -- see Note [Binders for equalities]
2368               (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst 
2369                                                                extra_givens
2370               eq_cotvs = map instToVar extra_eq_givens
2371               dict_ids = map instToId  extra_dict_givens 
2372
2373                         -- Note [Always inline implication constraints]
2374               wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2375                           | otherwise     = WpInline
2376               co         = wrap_inline
2377                            <.> mkWpTyLams tvs
2378                            <.> mkWpTyLams eq_cotvs
2379                            <.> mkWpLams dict_ids
2380                            <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2381               rhs        = mkLHsWrap co payload
2382               loc        = instLocSpan inst_loc
2383                              -- wanted equalities are solved by updating their
2384                              -- cotv; we don't generate bindings for them
2385               dict_bndrs =   map (L loc . HsVar . instToId) 
2386                            . filter (not . isEqInst) 
2387                            $ wanteds
2388               payload    = mkBigLHsTup dict_bndrs
2389
2390         
2391         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2392                          ppr simpler_implic_insts,
2393                          text "->" <+> ppr rhs])
2394         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) rhs)),
2395                   simpler_implic_insts)
2396         } 
2397     }
2398 reduceImplication _ i = pprPanic "reduceImplication" (ppr i)
2399 \end{code}
2400
2401 Note [Always inline implication constraints]
2402 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2403 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2404 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2405 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2406 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2407 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2408 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2409 there is no loss of sharing as a result.
2410
2411 Note [Freeness and implications]
2412 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2413 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2414         forall {} Eq a => Foo [a]
2415 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2416 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2417
2418 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2419 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2420         forall {a}. () => Bar b
2421 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2422 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2423 must be much more careful:
2424         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2425 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2426 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2427
2428 Here is an even more exotic example
2429         class C a => D a b
2430 Now consider the constraint
2431         forall b. D Int b => C Int
2432 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2433 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2434 the constraints!
2435
2436 One more example: the constraint
2437         class C a => D a b
2438         instance (C a, E c) => E (a,c)
2439
2440         constraint: forall b. D Int b => E (Int,c)
2441
2442 You might think that the (D Int b) can't possibly contribute
2443 to solving (E (Int,c)), since the latter mentions 'c'.  But 
2444 in fact it can, because solving the (E (Int,c)) constraint needs 
2445 dictionaries
2446         C Int, E c
2447 and the (C Int) can be satisfied from the superclass of (D Int b).
2448 So we must still not float (E (Int,c)) out.
2449
2450 To think about: special cases for unary type classes?
2451
2452 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2453 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2454 Suppose we are about to form the implication constraint
2455         forall tvs.  Eq a => Ord b
2456 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2457 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2458 But BE CAREFUL of the examples above in [Freeness and implications].
2459
2460 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2461 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2462 advantage of that at the moment.
2463
2464 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2465
2466
2467 %************************************************************************
2468 %*                                                                      *
2469                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2470 %*                                                                      *
2471 %************************************************************************
2472
2473
2474 \begin{code}
2475 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2476
2477 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2478                                 -- so some Irreds might now be reducible
2479                                 -- keys that are now 
2480
2481 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2482 data AvailHow
2483   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2484                         -- which are going to be lambda bound
2485
2486   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2487                         -- e.g. those "given" in a signature
2488
2489   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2490         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2491         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2492
2493 instance Outputable Avails where
2494   ppr = pprAvails
2495
2496 pprAvails :: Avails -> SDoc
2497 pprAvails (Avails imp avails)
2498   = vcat [ ptext (sLit "Avails") <> (if imp then ptext (sLit "[improved]") else empty)
2499          , nest 2 $ braces $ 
2500            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2501                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2502
2503 instance Outputable AvailHow where
2504     ppr = pprAvail
2505
2506 -------------------------
2507 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2508 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2509 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2510 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2511                                nest 2 (ppr rhs)]
2512
2513 -------------------------
2514 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2515 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2516
2517 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2518 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2519         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2520         --  *not* by unique.  So
2521         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2522
2523 emptyAvails :: Avails
2524 emptyAvails = Avails False emptyFM
2525
2526 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2527 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2528
2529 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2530 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2531
2532 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2533 -- Does improvement
2534 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2535   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2536         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2537
2538 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2539 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2540
2541 availsImproved :: Avails -> ImprovementDone
2542 availsImproved (Avails imp _) = imp
2543 \end{code}
2544
2545 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2546 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2547 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2548 dependency analyser can sort them out later
2549
2550 \begin{code}
2551 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2552 -- Tracks which things we have evidence for
2553
2554 extractResults :: Avails
2555                -> [Inst]                -- Wanted
2556                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2557                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2558                        [Inst])          -- Irreducible ones
2559                         -- Note [Reducing implication constraints]
2560
2561 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2562   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2563   where
2564     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2565         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2566         -> [Inst]       -- Irreds
2567         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2568         -> [Inst]       -- Wanted
2569         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2570     go binds bound_dicts irreds _ [] 
2571       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2572
2573     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2574       | isEqInst w
2575       = go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2576
2577       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2578       = if w_id `elem` done_ids then
2579            go binds bound_dicts irreds done ws
2580         else
2581            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2582               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2583
2584       | otherwise       -- Not yet done
2585       = case findAvailEnv avails w of
2586           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2587                      go binds bound_dicts irreds done ws
2588
2589           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2590
2591           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2592
2593           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2594                 where
2595                   g_id = instToId g
2596                   binds' | w_id == g_id = binds
2597                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2598       where
2599         w_id  = instToId w      
2600         done' = addToFM done w [w_id]
2601         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2602 \end{code}
2603
2604
2605 Note [No superclasses for Stop]
2606 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2607 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2608 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2609 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2610         df::Floating a
2611         dn::Num a
2612 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2613 here lest we lose sharing.
2614
2615 \begin{code}
2616 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2617 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2618   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2619   where
2620     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2621
2622 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2623 addGiven avails given 
2624   = addAvailAndSCs want_scs avails given (Given given)
2625   where
2626     want_scs = case instLocOrigin (instLoc given) of
2627                  NoScOrigin -> NoSCs
2628                  _other     -> AddSCs
2629         -- Conditionally add superclasses for 'given'
2630         -- See Note [Recursive instances and superclases]
2631
2632   -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an
2633   -- instance decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as
2634   -- 'givens', so the assert isn't true
2635 \end{code}
2636
2637 \begin{code}
2638 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2639 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2640                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2641
2642 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2643 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2644   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2645   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2646   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2647                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2648                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2649   where
2650     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2651                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2652     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2653     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2654
2655     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2656     -- Find all the Insts that this one depends on
2657     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2658     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2659     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2660     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2661     findAllDeps so_far _            = so_far
2662
2663     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2664     find_all so_far kid
2665       | isEqInst kid                       = so_far
2666       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2667       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2668       | otherwise                          = so_far'
2669       where
2670         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2671         kid_id = instToId kid
2672
2673 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2674         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2675         -- The first param says "don't do this because the original thing
2676         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2677         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2678
2679 addSCs is_loop avails dict
2680   = ASSERT( isDict dict )
2681     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2682         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2683   where
2684     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2685     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2686     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2687                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2688
2689     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2690       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2691       | is_given sc_dict           = return avails
2692       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2693                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2694       where
2695         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2696         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2697
2698     is_given :: Inst -> Bool
2699     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2700                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2701                           _              -> False
2702
2703 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2704 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2705 --
2706 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2707 ancestorEqualities
2708   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2709     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2710     . bagToList 
2711     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2712     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2713     . filter isClassDict
2714   where
2715     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2716     addAEsToBag bag []           = bag
2717     addAEsToBag bag (pred:preds)
2718       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2719       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2720       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2721       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2722       where
2723         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2724         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2725         --
2726         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2727         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2728 \end{code}
2729
2730
2731 %************************************************************************
2732 %*                                                                      *
2733 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2734 %*                                                                      *
2735 %************************************************************************
2736
2737
2738 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2739 and ambiguous Insts.
2740
2741 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2742
2743         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2744
2745 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2746 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2747
2748 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2749
2750
2751 \begin{code}
2752 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2753 tcSimplifyTop wanteds
2754   = tc_simplify_top doc False wanteds
2755   where 
2756     doc = text "tcSimplifyTop"
2757
2758 tcSimplifyInteractive wanteds
2759   = tc_simplify_top doc True wanteds
2760   where 
2761     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2762
2763 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2764 -- error message generation for the monomorphism restriction
2765 tc_simplify_top :: SDoc -> Bool -> [Inst] -> TcM (Bag (LHsBind TcId))
2766 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2767   = do  { dflags <- getDOpts
2768         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2769         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2770
2771         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2772         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2773 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2774         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2775         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\_ -> True) irreds1
2776         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2777
2778                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2779                 -- NB: irreds2 are already zonked
2780         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2781
2782                 -- Deal with implicit parameters
2783         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2784               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2785
2786         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2787                                 --                  f x = x + ?y
2788         ; addNoInstanceErrs others
2789         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2790
2791         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2792   where
2793     doc1 = doc <+> ptext (sLit "(first round)")
2794     doc2 = doc <+> ptext (sLit "(approximate)")
2795     doc3 = doc <+> ptext (sLit "(disambiguate)")
2796 \end{code}
2797
2798 If a dictionary constrains a type variable which is
2799         * not mentioned in the environment
2800         * and not mentioned in the type of the expression
2801 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2802 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2803 parameter to a function.
2804
2805 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2806 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2807 Specifically, if
2808         * at least one of its classes is a numeric class, and
2809         * all of its classes are numeric or standard
2810 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2811 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2812
2813 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2814 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2815 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2816 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2817
2818 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2819 the same type variable.
2820
2821 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2822 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2823 the most common use of defaulting is code like:
2824 \begin{verbatim}
2825         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2826 \end{verbatim}
2827 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2828 @void@.
2829
2830 \begin{code}
2831 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2832         -- Just does unification to fix the default types
2833         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2834 disambiguate doc interactive dflags insts
2835   | null insts
2836   = return (insts, emptyBag)
2837
2838   | null defaultable_groups
2839   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2840         ; return (insts, emptyBag) }
2841
2842   | otherwise
2843   = do  {       -- Figure out what default types to use
2844           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2845
2846         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2847         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2848
2849         -- disambigGroup does unification, hence try again
2850         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2851
2852   where
2853    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2854    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2855
2856    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2857    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2858    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2859    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2860
2861         -- Finds unary type-class constraints
2862    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2863         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2864    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2865
2866                 -- Group by type variable
2867    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2868    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2869    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2870
2871    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2872    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2873         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2874         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2875         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2876    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2877
2878    defaultable_classes clss 
2879         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2880         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2881
2882         -- In interactive mode, or with -XExtendedDefaultRules,
2883         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2884    isInteractiveClass cls 
2885         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2886
2887    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2888         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2889         -- when -foverloaded-strings is enabled
2890
2891    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2892         -- Similarly is_std_class
2893
2894 -----------------------
2895 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2896               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2897               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2898
2899 disambigGroup default_tys dicts
2900   = try_default default_tys
2901   where
2902     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2903     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2904
2905     try_default [] = return ()
2906     try_default (default_ty : default_tys)
2907       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2908         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2909                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2910                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2911                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2912                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2913                 -- default list is Int.
2914
2915                 -- After this we can't fail
2916            ; warnDefault dicts default_ty
2917            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2918            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2919            }
2920
2921
2922 -----------------------
2923 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2924 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2925   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2926         ; case mb_defaults of {
2927            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2928            Nothing  -> do
2929
2930         -- No use-supplied default
2931         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2932         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2933         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2934         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2935         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2936                         -- Note [Default unitTy]
2937                         ++
2938                   [integer_ty,doubleTy]
2939                         ++
2940                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2941   where
2942     opt_deflt True  ty = [ty]
2943     opt_deflt False _  = []
2944 \end{code}
2945
2946 Note [Default unitTy]
2947 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2948 In interative mode (or with -XExtendedDefaultRules) we add () as the first type we
2949 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2950 Consider: 
2951         Text.Printf.printf "hello"
2952 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2953 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2954 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2955 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2956 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2957
2958 Note [Avoiding spurious errors]
2959 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2960 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2961 type variables, and simply don't default them.  For example:
2962    f = (*)      -- Monomorphic
2963    g :: Num a => a -> a
2964    g x = f x x
2965 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2966 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2967 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2968 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2969 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2970
2971
2972 %************************************************************************
2973 %*                                                                      *
2974 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2975 %*                                                                      *
2976 %************************************************************************
2977
2978 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2979
2980 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2981 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2982 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2983
2984 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2985 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2986 instance declarations.
2987
2988 \begin{code}
2989 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2990                 -> [TyVar]      
2991                 -> ThetaType            -- Wanted
2992                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2993 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2994 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2995
2996 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2997   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2998         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2999         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
3000         -- ToDo: what if two of them do get unified?
3001         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
3002         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
3003
3004         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
3005               (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts others
3006         ; reportNoInstances tidy_env Nothing [alt_fix] tidy_insts
3007         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
3008
3009         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
3010               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
3011                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
3012                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
3013
3014         ; return simpl_theta }
3015   where
3016     doc = ptext (sLit "deriving classes for a data type")
3017
3018     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
3019             | otherwise   = False
3020     alt_fix = vcat [ptext (sLit "use a standalone 'deriving instance' declaration instead,"),
3021                     ptext (sLit "so you can specify the instance context yourself")]
3022 \end{code}
3023
3024
3025 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
3026 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
3027 whether it worked or not.
3028
3029 \begin{code}
3030 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
3031                   -> TcM ()
3032
3033 tcSimplifyDefault theta = do
3034     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
3035     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
3036     addNoInstanceErrs irreds
3037     if null irreds then
3038         return ()
3039      else
3040         traceTc (ptext (sLit "tcSimplifyDefault failing")) >> failM
3041   where
3042     doc = ptext (sLit "default declaration")
3043 \end{code}
3044
3045 @tcSimplifyStagedExpr@ performs a simplification but does so at a new
3046 stage. This is used when typechecking annotations and splices.
3047
3048 \begin{code}
3049
3050 tcSimplifyStagedExpr :: ThStage -> TcM a -> TcM (a, TcDictBinds)
3051 -- Type check an expression that runs at a top level stage as if
3052 --   it were going to be spliced and then simplify it
3053 tcSimplifyStagedExpr stage tc_action
3054   = setStage stage $ do { 
3055         -- Typecheck the expression
3056           (thing', lie) <- getLIE tc_action
3057         
3058         -- Solve the constraints
3059         ; const_binds <- tcSimplifyTop lie
3060         
3061         ; return (thing', const_binds) }
3062
3063 \end{code}
3064
3065
3066 %************************************************************************
3067 %*                                                                      *
3068 \section{Errors and contexts}
3069 %*                                                                      *
3070 %************************************************************************
3071
3072 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
3073 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
3074 now?
3075
3076 \begin{code}
3077 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
3078           -> [Inst]             -- The offending Insts
3079           -> TcM ()
3080 -- Group together insts with the same origin
3081 -- We want to report them together in error messages
3082
3083 groupErrs _ [] 
3084   = return ()
3085 groupErrs report_err (inst:insts)
3086   = do  { do_one (inst:friends)
3087         ; groupErrs report_err others }
3088   where
3089         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
3090         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
3091         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
3092    (friends, others) = partition is_friend insts
3093    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
3094    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
3095    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
3096                 -- Add location and context information derived from the Insts
3097
3098 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
3099 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
3100 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
3101
3102 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
3103 addTopIPErrs _ [] 
3104   = return ()
3105 addTopIPErrs bndrs ips
3106   = do  { dflags <- getDOpts
3107         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
3108   where
3109     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
3110     mk_msg dflags ips 
3111         = vcat [sep [ptext (sLit "Implicit parameters escape from"),
3112                 nest 2 (ptext (sLit "the monomorphic top-level binding") 
3113                                             <> plural bndrs <+> ptext (sLit "of")
3114                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
3115                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
3116                 monomorphism_fix dflags]
3117     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
3118
3119 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
3120 topIPErrs dicts
3121   = groupErrs report tidy_dicts
3122   where
3123     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3124     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
3125     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext (sLit "Unbound implicit parameter") <> 
3126                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
3127
3128 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3129                   -> TcM ()     
3130 addNoInstanceErrs insts
3131   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3132         ; reportNoInstances tidy_env Nothing [] tidy_insts }
3133
3134 reportNoInstances 
3135         :: TidyEnv
3136         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3137                         -- Nothing => top level
3138                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3139                         --               with givens g
3140         -> [SDoc]       -- Alternative fix for no-such-instance
3141         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3142         -> TcM ()       
3143
3144 reportNoInstances tidy_env mb_what alt_fix insts 
3145   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what alt_fix) insts
3146
3147 report_no_instances :: TidyEnv -> Maybe (InstLoc, [Inst]) -> [SDoc] -> [Inst] -> TcM ()
3148 report_no_instances tidy_env mb_what alt_fixes insts
3149   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3150        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3151              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3152              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3153        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3154                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3155        ; mapM_ complain_implic implics
3156        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3157        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3158        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3159        }
3160   where
3161     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3162
3163     complain_implic inst        -- Recurse!
3164       = reportNoInstances tidy_env 
3165                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3166                           alt_fixes (tci_wanted inst)
3167
3168     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3169         -- Right msg  => overlap message
3170         -- Left  inst => no instance
3171     check_overlap inst_envs wanted
3172         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3173         | otherwise
3174         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3175                 ([], _) -> Left wanted          -- No match
3176                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3177                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3178                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3179                 ([_],[])
3180                  | debugIsOn -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3181                 res -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3182           where
3183             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3184
3185     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3186       = ASSERT( not (null matches) )
3187         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext (sLit "Overlapping instances for") 
3188                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3189                 sep [ptext (sLit "Matching instances") <> colon,
3190                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3191                 if not (isSingleton matches)
3192                 then    -- Two or more matches
3193                      empty
3194                 else    -- One match, plus some unifiers
3195                 ASSERT( not (null unifiers) )
3196                 parens (vcat [ptext (sLit "The choice depends on the instantiation of") <+>
3197                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3198                               ptext (sLit "To pick the first instance above, use -XIncoherentInstances"),
3199                               ptext (sLit "when compiling the other instance declarations")])]
3200       where
3201         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3202
3203     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3204     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3205
3206     mk_no_inst_err insts
3207       | null insts = empty
3208
3209       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3210         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3211       = vcat [ addInstLoc insts $
3212                sep [ ptext (sLit "Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3213                    , nest 2 $ ptext (sLit "from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3214              , show_fixes (fix1 loc : fixes2 ++ alt_fixes) ]
3215
3216       | otherwise       -- Top level 
3217       = vcat [ addInstLoc insts $
3218                ptext (sLit "No instance") <> plural insts
3219                     <+> ptext (sLit "for") <+> pprDictsTheta insts
3220              , show_fixes (fixes2 ++ alt_fixes) ]
3221
3222       where
3223         fix1 loc = sep [ ptext (sLit "add") <+> pprDictsTheta insts
3224                                  <+> ptext (sLit "to the context of"),
3225                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3226                          -- I'm not sure it helps to add the location
3227                          -- nest 2 (ptext (sLit "at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3228
3229         fixes2 | null instance_dicts = []
3230                | otherwise           = [sep [ptext (sLit "add an instance declaration for"),
3231                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3232         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3233                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3234                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3235
3236         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3237         show_fixes []     = empty
3238         show_fixes (f:fs) = sep [ptext (sLit "Possible fix:"), 
3239                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext (sLit "or") <+>) fs))]
3240
3241 addTopAmbigErrs :: [Inst] -> TcRn ()
3242 addTopAmbigErrs dicts
3243 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3244   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3245                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3246     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3247   where
3248     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3249
3250     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3251     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3252     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3253     
3254     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3255     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3256           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3257           setSrcSpan (instSpan inst) $
3258                 -- the location of the first one will do for the err message
3259            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3260         where
3261           dicts = map fst pairs
3262           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3263                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3264                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3265           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3266     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3267
3268
3269 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3270 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3271 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3272 -- Try to identify the offending variable
3273 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3274 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3275   = do  { dflags <- getDOpts
3276         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3277         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3278   where
3279     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3280         =  vcat [ptext (sLit "Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3281                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3282                 ptext (sLit "Use :print or :force to determine these types")]
3283     mk_msg _ []   = ptext (sLit "Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3284                         -- This happens in things like
3285                         --      f x = show (read "foo")
3286                         -- where monomorphism doesn't play any role
3287     mk_msg dflags docs 
3288         = vcat [ptext (sLit "Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3289                 nest 2 (vcat docs),
3290                 monomorphism_fix dflags]
3291
3292 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3293 monomorphism_fix dflags
3294   = ptext (sLit "Probable fix:") <+> vcat
3295         [ptext (sLit "give these definition(s) an explicit type signature"),
3296          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3297            then ptext (sLit "or use -XNoMonomorphismRestriction")
3298            else empty]  -- Only suggest adding "-XNoMonomorphismRestriction"
3299                         -- if it is not already set!
3300     
3301 warnDefault :: [(Inst, Class, Var)] -> Type -> TcM ()
3302 warnDefault ups default_ty = do
3303     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3304     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3305   where
3306     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3307
3308         -- Tidy them first
3309     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3310     warn_msg  = vcat [ptext (sLit "Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3311                                 quotes (ppr default_ty),
3312                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3313
3314 reduceDepthErr :: Int -> [Inst] -> SDoc
3315 reduceDepthErr n stack
3316   = vcat [ptext (sLit "Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3317           ptext (sLit "Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3318           nest 4 (pprStack stack)]
3319
3320 pprStack :: [Inst] -> SDoc
3321 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3322 \end{code}