534c5d0601c8e74bd841b1c86da8a845f78ba43d
[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         misMatchMsg
21     ) where
22
23 #include "HsVersions.h"
24
25 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
26 import HsSyn
27
28 import TcRnMonad
29 import TcHsSyn  ( hsLPatType )
30 import Inst
31 import TcEnv
32 import InstEnv
33 import TcType
34 import TcMType
35 import TcIface
36 import TcTyFuns
37 import DsUtils  -- Big-tuple functions
38 import Var
39 import Id
40 import Name
41 import NameSet
42 import Class
43 import FunDeps
44 import PrelInfo
45 import PrelNames
46 import Type
47 import TysWiredIn
48 import ErrUtils
49 import BasicTypes
50 import VarSet
51 import VarEnv
52 import FiniteMap
53 import Bag
54 import Outputable
55 import Maybes
56 import ListSetOps
57 import Util
58 import SrcLoc
59 import DynFlags
60 import FastString
61 import Control.Monad
62 import Data.List
63 \end{code}
64
65
66 %************************************************************************
67 %*                                                                      *
68 \subsection{NOTES}
69 %*                                                                      *
70 %************************************************************************
71
72         --------------------------------------
73         Notes on functional dependencies (a bug)
74         --------------------------------------
75
76 Consider this:
77
78         class C a b | a -> b
79         class D a b | a -> b
80
81         instance D a b => C a b -- Undecidable 
82                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
83         f :: C a b => a -> Bool
84         f _ = True
85         
86         g :: C a b => a -> Bool
87         g = f
88
89 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
90 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
91
92 Here is a more complicated example:
93
94 @
95   > class Foo a b | a->b
96   >
97   > class Bar a b | a->b
98   >
99   > data Obj = Obj
100   >
101   > instance Bar Obj Obj
102   >
103   > instance (Bar a b) => Foo a b
104   >
105   > foo:: (Foo a b) => a -> String
106   > foo _ = "works"
107   >
108   > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
109   > runFoo f = f Obj
110
111   *Test> runFoo foo
112
113   <interactive>:1:
114       Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
115         arising from use of `foo' at <interactive>:1
116       Probable fix:
117           Add (Bar a b) to the expected type of an expression
118       In the first argument of `runFoo', namely `foo'
119       In the definition of `it': it = runFoo foo
120
121   Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
122   function foo didn't ask for that...
123 @
124
125 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
126
127         Given constraint        Foo a b
128         Solve constraint        Foo a b'
129
130 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
131 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
132         simplify constraints
133         apply improvement
134         and loop
135
136 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
137 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
138 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
139 from.
140
141 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
142 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
143
144 Note [Choosing which variables to quantify]
145 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
146 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
147
148         G       the environment
149         T       the type of the RHS
150         C       the constraints from that RHS
151
152 The game is to figure out
153
154         Q       the set of type variables over which to quantify
155         Ct      the constraints we will *not* quantify over
156         Cq      the constraints we will quantify over
157
158 So we're going to infer the type
159
160         forall Q. Cq => T
161
162 and float the constraints Ct further outwards.
163
164 Here are the things that *must* be true:
165
166  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
167  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
168
169  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
170  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
171      we won't get a sufficiently general type.  
172
173 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
174 free vars of the environment G.
175
176         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
177
178 Example:        class H x y | x->y where ...
179
180         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
181                         T = c -> b
182
183         (A)  Q intersect {a} is empty
184         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
185
186         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
187
188 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
189 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
190 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
191 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
192
193 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
194 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
195 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
196 choose Q:
197
198         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
199
200 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
201 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
202 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
203 albeit perhaps too many.
204
205 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
206
207         class H x y | x->y where ...
208
209         T = c->c
210         C = (H c d)
211
212   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
213
214         forall c. H c d => c -> b
215
216   And then if the fn was called at several different c's, each of
217   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
218   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
219   everything that might be influenced by c.
220
221 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
222 all the functional dependencies yet:
223
224         class H x y | x->y where ...
225         instance H x y => Eq (T x y) where ...
226
227         T = c->c
228         C = (Eq (T c d))
229
230 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
231 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
232
233 There really isn't any point in quantifying over any more than
234 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
235 any other type variables.
236
237
238
239 -------------------------------------
240         Note [Ambiguity]
241 -------------------------------------
242
243 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
244
245         class K x
246         class H x y | x -> y
247         instance H x y => K (x,y)
248
249 Is this type ambiguous?
250         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
251
252 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
253 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
254 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
255 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
256
257 Here's another example: is this ambiguous?
258         forall a b. Eq (T b) => a -> a
259 Not if there's an insance decl (with no context)
260         instance Eq (T b) where ...
261
262 You may say of this example that we should use the instance decl right
263 away, but you can't always do that:
264
265         class J a b where ...
266         instance J Int b where ...
267
268         f :: forall a b. J a b => a -> a
269
270 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
271 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
272 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
273 when inferring a type for f.
274
275
276
277 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
278 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
279 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
280
281 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
282
283         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
284
285 (all tested before quantification).
286 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
287 in the environment, or by the variables in the type.
288
289 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
290
291         class J a b c | a b -> c
292         fv(G) = {a}
293
294 Is this ambiguous?
295         forall b c. (J a b c) => b -> b
296
297 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
298 do we see that c is fixed.
299
300 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
301 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
302 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
303 only issue a warning.
304
305
306 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
307
308         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
309
310 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
311 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
312 the nasty example?
313
314         class K x
315         class H x y | x -> y
316         instance H x y => K (x,y)
317
318 Is this type ambiguous?
319         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
320
321 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
322 is a "bubble" that's a set of constraints
323
324         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
325
326 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
327 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
328 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
329 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
330 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
331
332
333         --------------------------------------
334                 Notes on principal types
335         --------------------------------------
336
337     class C a where
338       op :: a -> a
339
340     f x = let g y = op (y::Int) in True
341
342 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
343 but we'll produce the non-principal type
344     f :: forall a. C Int => a -> a
345
346
347         --------------------------------------
348         The need for forall's in constraints
349         --------------------------------------
350
351 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
352
353   class C t where op :: t -> Bool
354   instance C [t] where op x = True
355
356   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
357   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
358
359 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
360 the pair on their right-hand sides.  And yet:
361
362   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
363   Hugs rejects q, but accepts p;
364   hbc rejects both p and q;
365   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
366
367 The type signature for f forces context reduction to take place, and
368 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
369 which in turn depends on which component of the pair the type checker
370 analyzes first.  
371
372 Solution: if y::m a, float out the constraints
373         Monad m, forall c. C (m c)
374 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
375
376
377         --------------------------------------
378                 Notes on implicit parameters
379         --------------------------------------
380
381 Note [Inheriting implicit parameters]
382 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
383 Consider this:
384
385         f x = (x::Int) + ?y
386
387 where f is *not* a top-level binding.
388 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
389 There are two types we might infer for f:
390
391         f :: Int -> Int
392
393 (so we get ?y from the context of f's definition), or
394
395         f :: (?y::Int) => Int -> Int
396
397 At first you might think the first was better, becuase then
398 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
399 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
400 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
401 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
402
403 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
404 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
405
406
407 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
408 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
409 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
410 An *implicit parameter* cannot.  For example:
411         foo :: (?x :: [a]) => Int
412         foo = length ?x
413 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
414
415 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
416 propagate to the others.  E.g.
417         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
418         foo = show (?x++?x)
419 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
420 we might have
421         let ?x = 5::Int in foo
422 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
423 so we can take their type variables into account as part of the
424 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
425
426
427 Question 2: type signatures
428 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
429 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
430 to quantify over implicit parameters.  For example:
431
432         (?x + 1) :: Int
433
434 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
435
436         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
437
438 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
439 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
440 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
441 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
442
443 What about when you supply a type signature for a binding?
444 Is it legal to give the following explicit, user type 
445 signature to f, thus:
446
447         f :: Int -> Int
448         f x = (x::Int) + ?y
449
450 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
451 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
452 Consider this:
453
454         (let f x = (x::Int) + ?y
455          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
456
457                 returns (3+6, 3+5)
458 vs
459         (let f :: Int -> Int
460              f x = x + ?y
461          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
462
463                 returns (3+6, 3+6)
464
465 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
466 dynamic semantics.
467
468 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
469 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
470 change the typing you may change the semantics.
471
472 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
473 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
474 rule: 
475
476         a signature does not need to quantify over implicit params.
477
478 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
479 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
480 params for the reasons mentioned above.]
481
482 But that raises a new question.  Consider 
483
484         Given (signature)       ?x::Int
485         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
486
487 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
488 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
489 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
490 to float a constraint that
491         neither mentions any of the quantified type variables
492         nor any of the quantified implicit parameters
493
494 See the predicate isFreeWhenChecking.
495
496
497 Question 3: monomorphism
498 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
499 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
500
501         z = (x::Int) + ?y
502
503 The argument above suggests that we *must* generalise
504 over the ?y parameter, to get
505         z :: (?y::Int) => Int,
506 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
507         z :: Int.
508 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
509
510         let z = x + ?y in z+z
511
512 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
513 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
514
515
516 Question 4: top level
517 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
518 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
519
520     module Main where
521         main = let ?x = 5 in print foo
522
523         foo = woggle 3
524
525         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
526         woggle y = ?x + y
527
528 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
529 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
530
531
532 Possible choices
533 ~~~~~~~~~~~~~~~~
534 (A) Always generalise over implicit parameters
535     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
536         be generalised
537
538     Consequences:
539         * Inlining remains valid
540         * No unexpected loss of sharing
541         * But simple bindings like
542                 z = ?y + 1
543           will be rejected, unless you add an explicit type signature
544           (to avoid the monomorphism restriction)
545                 z :: (?y::Int) => Int
546                 z = ?y + 1
547           This seems unacceptable
548
549 (B) Monomorphism restriction "wins"
550     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
551         be generalised
552     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
553         that fall under the monomorphism restriction
554
555     Consequences
556         * Inlining isn't valid in general
557         * No unexpected loss of sharing
558         * Simple bindings like
559                 z = ?y + 1
560           accepted (get value of ?y from binding site)
561
562 (C) Always generalise over implicit parameters
563     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
564         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
565     Consequences
566         * Inlining remains valid
567         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
568         * Simple bindings like
569                 z = ?y + 1
570           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
571
572
573 Discussion
574 ~~~~~~~~~~
575 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
576 decide which we want to do.
577
578 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
579
580         z = (x::Int) + ?y
581
582 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
583 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
584 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
585 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
586 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
587 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
588
589 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
590 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
591 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
592 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
593 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
594 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
595 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
596 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
597 restriction altogether.
598
599 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
600
601
602
603 %************************************************************************
604 %*                                                                      *
605 \subsection{tcSimplifyInfer}
606 %*                                                                      *
607 %************************************************************************
608
609 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
610
611     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
612
613     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
614        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
615
616     3. Try improvement, using functional dependencies
617
618     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
619        (Unification can change the result of 'grow'.)
620
621 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
622 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
623 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
624 type variables than we absolutely have to.
625
626 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
627 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
628
629         class C x y | x->y where ...
630
631 and tcSimplify is called with:
632         (C Int a, C Int b)
633 Then improvement unifies a with b, giving
634         (C Int a, C Int a)
635
636 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
637 again.
638
639
640 \begin{code}
641 tcSimplifyInfer
642         :: SDoc
643         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
644         -> [Inst]               -- Wanted
645         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
646                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
647                 TcDictBinds)    -- Bindings
648         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
649 \end{code}
650
651
652 \begin{code}
653 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
654   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
655         ; wanted'  <- mapM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
656         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
657         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
658               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
659               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
660                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
661
662                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
663                 -- constraints that don't mention qtvs at all
664         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
665         ; extendLIEs free
666
667                 -- To make types simple, reduce as much as possible
668         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
669                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
670         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
671
672                 -- Note [Inference and implication constraints]
673         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
674         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
675
676                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
677                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
678                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
679                 --    quantify over any variable free in the environment
680                 --    tc137 (function h inside g) is an example
681                 --
682                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
683                 --    mention quantified type variables, because they are
684                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
685                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
686                 --      g x = fst (f x)
687                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
688                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
689                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
690                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
691                 --    See test tcfail181
692                 --
693                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
694                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
695                 --          wanteds = Foo [a]
696                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
697                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
698         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
699         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
700                 -- Note that we start from gbl_tvs1
701                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
702                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
703                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
704                 --              gbl_tvs = {a}
705                 --              tau_tvs = {b}
706                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
707                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
708         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
709               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
710         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
711         ; extendLIEs free
712
713                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
714         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
715
716                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
717                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
718         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
719         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
720         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
721
722                 -- Prepare equality instances for quantification
723         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
724         ; q_eqs <- mapM finalizeEqInst q_eqs0
725
726         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
727         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
728         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
729
730 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
731 -- Note [Inference and implication constraints]
732 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
733 --      - fetching any dicts inside them that are free
734 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
735 --      - returning the extra ones too
736
737 approximateImplications doc want_dict irreds
738   | null extra_dicts 
739   = return (irreds, emptyBag)
740   | otherwise
741   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
742         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
743                 -- By adding extra_dicts', we make them 
744                 -- available to solve the implication constraints
745   where 
746     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
747
748     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
749         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
750         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
751     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
752
753     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
754                          | otherwise   = []
755     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
756         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
757               , d <- get_dicts wanteds 
758               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
759     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
760                            | otherwise   = [] 
761     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
762 \end{code}
763
764 Note [Inference and implication constraints]
765 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
766 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
767 a nested pattern match) like
768         C a => D [a]
769 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
770 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
771         instance (C a, E a) => D [a]
772 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
773 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
774 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
775 with 'given' implications.
776
777 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
778 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
779 the strange function get_dicts in approximateImplications.
780
781 The common cases are more clear-cut, when we have things like
782         forall a. C a => C b
783 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
784 Note [Freeness and implications].
785  
786 See Trac #1430 and test tc228.
787
788
789 \begin{code}
790 -----------------------------------------------------------
791 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
792 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
793 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
794 tcSimplifyInferCheck
795          :: InstLoc
796          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
797          -> [Inst]              -- Given
798          -> [Inst]              -- Wanted
799          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
800                  TcDictBinds)   -- Bindings
801
802 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
803   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
804         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
805
806         -- Figure out which type variables to quantify over
807         -- You might think it should just be the signature tyvars,
808         -- but in bizarre cases you can get extra ones
809         --      f :: forall a. Num a => a -> a
810         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
811         --      g a b = (b,a)
812         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
813         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
814         -- f isn't quantified over b.
815         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
816         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
817         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
818         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
819                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
820                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
821                 -- dictionaries, we quantify over
822
823         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
824
825                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
826         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
827
828         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
829         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
830 \end{code}
831
832 Note [Squashing methods]
833 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
834 Be careful if you want to float methods more:
835         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
836 From an application (truncate f i) we get
837         t1 = truncate at f
838         t2 = t1 at i
839 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
840         t3 = truncate at f
841         t4 = t3 at i
842 When simplifying with i,f free, we might still notice that
843 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
844 may continue to float out!
845
846
847 Note [NO TYVARS]
848 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
849         class Y a b | a -> b where
850             y :: a -> X b
851         
852         instance Y [[a]] a where
853             y ((x:_):_) = X x
854         
855         k :: X a -> X a -> X a
856
857         g :: Num a => [X a] -> [X a]
858         g xs = h xs
859             where
860             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
861
862 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
863 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
864 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
865 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
866 polymorphic in.  
867
868 The net effect of [NO TYVARS] 
869
870 \begin{code}
871 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
872 isFreeWhenInferring qtvs inst
873   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
874   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
875                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
876
877 {-      No longer used (with implication constraints)
878 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
879                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
880                    -> Inst -> Bool
881 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
882   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
883   && isFreeWrtIPs    ips inst
884 -}
885
886 isFreeWrtTyVars :: VarSet -> Inst -> Bool
887 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
888 isFreeWrtIPs :: NameSet -> Inst -> Bool
889 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
890 \end{code}
891
892
893 %************************************************************************
894 %*                                                                      *
895 \subsection{tcSimplifyCheck}
896 %*                                                                      *
897 %************************************************************************
898
899 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
900 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
901
902 \begin{code}
903 -----------------------------------------------------------
904 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
905 -- class decls, instance decls etc.
906 tcSimplifyCheck :: InstLoc
907                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
908                 -> [Inst]               -- Given
909                 -> [Inst]               -- Wanted
910                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
911 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
912   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
913     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
914         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
915         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
916         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
917
918 -----------------------------------------------------------
919 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
920 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
921                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
922                    -> [Inst]            -- Given
923                    -> [Inst]            -- Wanted
924                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
925 tcSimplifyCheckPat loc qtvs givens wanteds
926   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
927     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
928         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
929         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs givens irreds
930         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
931
932 -----------------------------------------------------------
933 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
934            -> [Inst] -> [Inst]
935            -> TcM TcDictBinds
936 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
937   = bindIrredsR loc qtvs givens irreds
938
939 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [Inst] -> [Inst] -> TcM TcDictBinds      
940 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
941 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
942 bindIrredsR loc qtvs givens irreds
943   | null irreds
944   = return emptyBag
945   | otherwise
946   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
947                 -- The givens can (redundantly) include methods
948                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
949                 -- There should be no implicadtion constraints
950                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
951
952            -- If there are no 'givens', then it's safe to 
953            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
954            -- See Note [Freeness and implications]
955         ; irreds' <- if null givens'
956                      then do
957                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
958                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
959                         ; extendLIEs frees
960                         ; return real_irreds }
961                      else return irreds
962         
963         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc qtvs givens' irreds'
964                         -- This call does the real work
965                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
966         ; extendLIEs implics
967         ; return bind } 
968
969
970 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar]
971                     -> [Inst] -> [Inst]
972                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
973 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
974 -- constraint for them.
975 --
976 -- The binding looks like
977 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
978 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
979 --      f :: forall qtvs. givens => (ir1, .., irn)
980 -- qtvs includes coercion variables.
981 --
982 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
983 makeImplicationBind loc all_tvs
984                     givens      -- Guaranteed all Dicts or EqInsts
985                     irreds
986  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
987  = return ([], emptyBag)
988  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
989  = do   { uniq <- newUnique 
990         ; span <- getSrcSpanM
991         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
992
993                 -- extract equality binders
994               eq_cotvs = map eqInstType eq_givens
995
996                 -- make the implication constraint instance
997               name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
998               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
999                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1000                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1001                                                        -- same order as binders
1002                                          tci_wanted = irreds, 
1003                                          tci_loc = loc }
1004
1005                 -- create binders for the irreducible dictionaries
1006               dict_irreds    = filter (not . isEqInst) irreds
1007               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1008               lpat = mkBigLHsPatTup (map (L span . VarPat) dict_irred_ids)
1009
1010                 -- create the binding
1011               rhs  = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1012               co   =     mkWpApps (map instToId dict_givens)
1013                      <.> mkWpTyApps eq_cotvs
1014                      <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1015               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  
1016                    = VarBind dict_irred_id rhs
1017                    | otherwise        
1018                    = PatBind { pat_lhs = lpat
1019                              , pat_rhs = unguardedGRHSs rhs 
1020                              , pat_rhs_ty = hsLPatType lpat
1021                              , bind_fvs = placeHolderNames 
1022                              }
1023
1024         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1025         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1026         }
1027
1028 -----------------------------------------------------------
1029 tryHardCheckLoop :: SDoc
1030              -> [Inst]                  -- Wanted
1031              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1032
1033 tryHardCheckLoop doc wanteds
1034   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkInferRedEnv doc try_me) wanteds
1035        ; return (irreds,binds)
1036        }
1037   where
1038     try_me _ = ReduceMe
1039         -- Here's the try-hard bit
1040
1041 -----------------------------------------------------------
1042 gentleCheckLoop :: InstLoc
1043                -> [Inst]                -- Given
1044                -> [Inst]                -- Wanted
1045                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1046
1047 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1048   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1049        ; return (irreds,binds)
1050        }
1051   where
1052     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1053
1054     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1055                 | otherwise          = Stop
1056         -- When checking against a given signature 
1057         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1058
1059 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1060                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1061 gentleInferLoop doc wanteds
1062   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1063         ; return (irreds, binds) }
1064   where
1065     env = mkInferRedEnv doc try_me
1066     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1067                 | otherwise          = Stop
1068 \end{code}
1069
1070 Note [Check gently]
1071 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1072 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1073 Example:  
1074   data T a where
1075     MkT :: a -> T [a]
1076
1077   f :: Show b => T b -> b
1078   f (MkT x) = show [x]
1079
1080 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1081         b ~ [a]
1082 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1083 need it.  We are going to build an implication contraint
1084         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1085 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1086         
1087 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1088 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1089 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1090 work until top level, when we solve the implication constraint
1091 with tryHardCheckLooop.
1092
1093
1094 \begin{code}
1095 -----------------------------------------------------------
1096 checkLoop :: RedEnv
1097           -> [Inst]                     -- Wanted
1098           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1099 -- Precondition: givens are completely rigid
1100 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1101
1102 checkLoop env wanteds
1103   = go env wanteds
1104   where go env wanteds
1105           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1106                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1107                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1108         
1109                 ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env' wanteds'
1110
1111                 ; if null irreds || not improved then
1112                     return (irreds, binds)
1113                   else do
1114         
1115                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1116                 -- We start again with irreds, not wanteds
1117                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1118                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1119                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1120                 -- See Note [LOOP]
1121                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds
1122                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1123 \end{code}
1124
1125 Note [Zonking RedEnv]
1126 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1127 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1128 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1129 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1130 testsuite is
1131
1132   class Modular s a | s -> a
1133
1134   wim ::  forall a w. Integral a 
1135                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1136   wim i k = error "urk"
1137
1138   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1139   test5  =   error "urk"
1140
1141   test4   =   wim 4 test4'
1142
1143 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1144 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1145 whether the signature of test5 is an instance of 
1146
1147   (forall s. Modular s a => M s w)
1148
1149 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1150 givens. 
1151
1152 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1153 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1154 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1155 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1156 Unify.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1157
1158
1159 Note [LOOP]
1160 ~~~~~~~~~~~
1161         class If b t e r | b t e -> r
1162         instance If T t e t
1163         instance If F t e e
1164         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1165         instance Lte Z b T
1166         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1167
1168 Wanted: Max Z (S x) y
1169
1170 Then we'll reduce using the Max instance to:
1171         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1172 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1173 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1174 with (Max Z (S x) y)!
1175
1176
1177
1178 %************************************************************************
1179 %*                                                                      *
1180                 tcSimplifySuperClasses
1181 %*                                                                      *
1182 %************************************************************************
1183
1184 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1185 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1186 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1187 accidentally build a loop. Here's an example:
1188
1189   class S a
1190
1191   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1192   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1193   
1194   instance C Int where
1195      opc = opd
1196   
1197   instance D Int where
1198      opd = opc
1199
1200 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1201 Simplifying, we may well get:
1202         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1203         dd  = $dfDInt
1204         ds1 = $p1 dd
1205 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1206
1207 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1208
1209         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1210         dc  = $dfCInt
1211         ds2 = $p1 dc
1212
1213 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1214 Two more nasty cases are in
1215         tcrun021
1216         tcrun033
1217
1218 Solution: 
1219   - Satisfy the superclass context *all by itself* 
1220     (tcSimplifySuperClasses)
1221   - And do so completely; i.e. no left-over constraints
1222     to mix with the constraints arising from method declarations
1223
1224
1225 Note [Recursive instances and superclases]
1226 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1227 Consider this code, which arises in the context of "Scrap Your 
1228 Boilerplate with Class".  
1229
1230     class Sat a
1231     class Data ctx a
1232     instance  Sat (ctx Char)             => Data ctx Char
1233     instance (Sat (ctx [a]), Data ctx a) => Data ctx [a]
1234
1235     class Data Maybe a => Foo a
1236
1237     instance Foo t => Sat (Maybe t)
1238
1239     instance Data Maybe a => Foo a
1240     instance Foo a        => Foo [a]
1241     instance                 Foo [Char]
1242
1243 In the instance for Foo [a], when generating evidence for the superclasses
1244 (ie in tcSimplifySuperClasses) we need a superclass (Data Maybe [a]).
1245 Using the instance for Data, we therefore need
1246         (Sat (Maybe [a], Data Maybe a)
1247 But we are given (Foo a), and hence its superclass (Data Maybe a).
1248 So that leaves (Sat (Maybe [a])).  Using the instance for Sat means
1249 we need (Foo [a]).  And that is the very dictionary we are bulding
1250 an instance for!  So we must put that in the "givens".  So in this
1251 case we have
1252         Given:  Foo a, Foo [a]
1253         Watend: Data Maybe [a]
1254
1255 BUT we must *not not not* put the *superclasses* of (Foo [a]) in
1256 the givens, which is what 'addGiven' would normally do. Why? Because
1257 (Data Maybe [a]) is the superclass, so we'd "satisfy" the wanted 
1258 by selecting a superclass from Foo [a], which simply makes a loop.
1259
1260 On the other hand we *must* put the superclasses of (Foo a) in
1261 the givens, as you can see from the derivation described above.
1262
1263 Conclusion: in the very special case of tcSimplifySuperClasses
1264 we have one 'given' (namely the "this" dictionary) whose superclasses
1265 must not be added to 'givens' by addGiven.  That is the *whole* reason
1266 for the red_given_scs field in RedEnv, and the function argument to
1267 addGiven.
1268
1269 \begin{code}
1270 tcSimplifySuperClasses
1271         :: InstLoc 
1272         -> Inst         -- The dict whose superclasses 
1273                         -- are being figured out
1274         -> [Inst]       -- Given 
1275         -> [Inst]       -- Wanted
1276         -> TcM TcDictBinds
1277 tcSimplifySuperClasses loc this givens sc_wanteds
1278   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1279         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1280         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1281         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1282         ; return binds1 }
1283   where
1284     env =  RedEnv { red_doc = pprInstLoc loc, 
1285                     red_try_me = try_me,
1286                     red_givens = this:givens, 
1287                     red_given_scs = add_scs,
1288                     red_stack = (0,[]),
1289                     red_improve = False }  -- No unification vars
1290     add_scs g | g==this   = NoSCs
1291               | otherwise = AddSCs
1292
1293     try_me _ = ReduceMe  -- Try hard, so we completely solve the superclass 
1294                          -- constraints right here. See Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1295 \end{code}
1296
1297
1298 %************************************************************************
1299 %*                                                                      *
1300 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1301 %*                                                                      *
1302 %************************************************************************
1303
1304 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1305 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1306
1307 Eg1:    id = \x -> x
1308         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1309         
1310 Eg2:    eq = (==)
1311         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1312         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1313
1314 So, assume:
1315         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1316         RHS has constraints 'wanteds'
1317
1318 Plan A (simple)
1319   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1320   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1321   where we have         instance Monad (ST s) where...
1322   so there's no need to be monomorphic in s!
1323
1324   Also the constraint might be a method constraint,
1325   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1326           op :: Num a => a -> b -> a
1327   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1328         foo = op (3::Int)
1329   We want to infer the polymorphic type
1330         foo :: forall b. b -> b
1331
1332
1333 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1334   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1335   with Plan A's problem).  Then set
1336         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1337
1338   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1339   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1340   The reasons for this is to maximise sharing.
1341
1342   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1343   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1344   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1345   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1346   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1347   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1348   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1349
1350   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1351   the problem.
1352
1353
1354 Plan C (brutal)
1355   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1356   with Plan A's problem).  Then set
1357         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1358   Return the bindings from Step 1.
1359   
1360
1361 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1362 Consider this:
1363
1364       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1365
1366       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1367
1368       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1369       doDecodeIO codedValue view  
1370         = let { act = foo "foo" } in  act
1371
1372 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1373 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1374 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1375 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1376
1377 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1378 plan D
1379
1380
1381 Plan D (a variant of plan B)
1382   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1383   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1384         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1385
1386   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1387   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1388
1389   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1390   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1391   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1392   can always add a signature.  
1393
1394   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1395   improvement.
1396
1397
1398 \begin{code}
1399 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1400                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1401         :: SDoc
1402         -> TopLevelFlag
1403         -> [Name]               -- Things bound in this group
1404         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1405         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1406         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1407                 TcDictBinds)    -- Bindings
1408         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1409         -- quantify over; by definition there are none.
1410         -- They are all thrown back in the LIE
1411
1412 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1413         -- Zonk everything in sight
1414   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1415         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1416
1417         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1418         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1419         -- variables as possible, and we don't want to stop
1420         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1421         -- immediately, with no constraint on s.
1422         --
1423         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1424         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1425         --          a method Inst with an equality constraint
1426         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\_ -> ReduceMe)
1427         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds'
1428
1429         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1430         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1431         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1432         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1433
1434         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1435                                 -- As in tcSimplifyInfer
1436
1437                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1438                 -- this is the monomorphism restriction
1439               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1440               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1441               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1442
1443         -- Warn in the mono
1444         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1445         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1446                  (vcat[ ptext (sLit "the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1447                                 <> plural bndrs <+> ptext (sLit "for") <+> pp_bndrs,
1448                         ptext (sLit "Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1449
1450         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1451                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1452                 ppr _binds,
1453                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1454
1455         -- The first step may have squashed more methods than
1456         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1457         -- set of type variables to quantify over.
1458         --
1459         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1460         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1461         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1462         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1463         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1464         --
1465         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1466         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1467         -- just to float all constraints
1468         --
1469         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1470         -- expose implicit parameters to the test that follows
1471         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1472               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1473                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1474                           | otherwise                       = ReduceMe 
1475               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1476         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1477
1478         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1479         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1480           if is_nested_group then
1481                 extendLIEs irreds
1482           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1483                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1484                   ; extendLIEs non_ips }
1485
1486         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1487         ; return (qtvs', binds) }
1488 \end{code}
1489
1490
1491 %************************************************************************
1492 %*                                                                      *
1493                 tcSimplifyRuleLhs
1494 %*                                                                      *
1495 %************************************************************************
1496
1497 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1498 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1499 as the available stuff for the RHS of the rule.
1500
1501 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1502         
1503         f (x == y) (y > z) = ...
1504
1505 If we typecheck this expression we get constraints
1506
1507         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1508
1509 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1510
1511         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1512           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1513
1514 Instead we want 
1515
1516         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1517           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1518
1519 Here is another example:
1520
1521         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1522         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1523
1524 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1525 we *dont* want to get
1526
1527         forall dIntegralInt.
1528            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1529
1530 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1531
1532         forall dIntegralInt, dNumInt.
1533           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1534
1535 Even if we have 
1536
1537         g (x == y) (y == z) = ..
1538
1539 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1540
1541         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1542           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1543
1544 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1545 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1546
1547 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1548 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1549 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc.
1550 Simpler, maybe, but alas not simple (see Trac #2494)
1551
1552 * Type errors may give rise to an (unsatisfiable) equality constraint
1553
1554 * Applications of a higher-rank function on the LHS may give
1555   rise to an implication constraint, esp if there are unsatisfiable
1556   equality constraints inside.
1557
1558 \begin{code}
1559 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1560 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1561   = do  { wanteds' <- zonkInsts wanteds
1562         ; (irreds, binds) <- go [] emptyBag wanteds'
1563         ; let (dicts, bad_irreds) = partition isDict irreds
1564         ; traceTc (text "tcSimplifyrulelhs" <+> pprInsts bad_irreds)
1565         ; addNoInstanceErrs (nub bad_irreds)
1566                 -- The nub removes duplicates, which has
1567                 -- not happened otherwise (see notes above)
1568         ; return (dicts, binds) }
1569   where
1570     go :: [Inst] -> TcDictBinds -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1571     go irreds binds []
1572         = return (irreds, binds)
1573     go irreds binds (w:ws)
1574         | isDict w
1575         = go (w:irreds) binds ws
1576         | isImplicInst w        -- Have a go at reducing the implication
1577         = do { (binds1, irreds1) <- reduceImplication red_env w
1578              ; let (bad_irreds, ok_irreds) = partition isImplicInst irreds1
1579              ; go (bad_irreds ++ irreds) 
1580                   (binds `unionBags` binds1) 
1581                   (ok_irreds ++ ws)}
1582         | otherwise
1583         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1584                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1585              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1586              ; case lookup_result of
1587                  NoInstance      -> go (w:irreds) binds ws
1588                  GenInst ws' rhs -> go irreds binds' (ws' ++ ws)
1589                         where
1590                           binds' = addInstToDictBind binds w rhs
1591           }
1592
1593         -- Sigh: we need to reduce inside implications
1594     red_env = mkInferRedEnv doc try_me
1595     doc = ptext (sLit "Implication constraint in RULE lhs")
1596     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1597                 | otherwise          = Stop     -- Be gentle
1598 \end{code}
1599
1600 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1601 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1602 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1603 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1604 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1605 this bracket again at its usage site.
1606
1607 \begin{code}
1608 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1609 tcSimplifyBracket wanteds
1610   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1611         ; return () }
1612   where
1613     doc = text "tcSimplifyBracket"
1614 \end{code}
1615
1616
1617 %************************************************************************
1618 %*                                                                      *
1619 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1620 %*                                                                      *
1621 %************************************************************************
1622
1623 When we have
1624         let ?x = R in B
1625
1626 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1627 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1628
1629 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1630
1631         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1632         let ?x = 3 in f 'c'
1633
1634 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1635 force the binding for ?x to be of type Int.
1636
1637 \begin{code}
1638 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1639               -> [Inst]         -- Wanted
1640               -> TcM TcDictBinds
1641         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1642         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1643         --      let ?x = e in ?x
1644         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1645         -- makes them the same.
1646
1647 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1648   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1649         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1650                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1651
1652         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1653         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1654
1655         ; if null irreds || not improved then 
1656                 ASSERT( all is_free irreds )
1657                 do { extendLIEs irreds
1658                    ; return binds }
1659           else do
1660         -- If improvement did some unification, we go round again.
1661         -- We start again with irreds, not wanteds
1662         -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1663         -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1664         -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1665         -- See Note [LOOP]
1666         { binds1 <- tcSimplifyIPs given_ips' irreds
1667         ; return $ binds `unionBags` binds1
1668         } }
1669   where
1670     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1671     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1672     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1673
1674         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1675     try_me inst | is_free inst = Stop
1676                 | otherwise    = ReduceMe
1677 \end{code}
1678
1679
1680 %************************************************************************
1681 %*                                                                      *
1682 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1683 %*                                                                      *
1684 %************************************************************************
1685
1686 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1687 For example, we might have...
1688 \begin{verbatim}
1689 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1690     f.1 = f Int     -- two instances of f
1691     f.2 = f Float
1692  in
1693     (f.1 5, f.2 6.7)
1694 \end{verbatim}
1695 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1696 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1697 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1698 there, they would have unresolvable references to @f@.
1699
1700 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1701 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1702 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1703 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1704
1705 \begin{code}
1706 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1707 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1708 --      fm = f tys dicts
1709 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1710 --      d1 = d2
1711 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1712 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1713
1714 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1715   | null overloaded_ids = do
1716         -- Common case
1717     extendLIEs wanteds
1718     return emptyLHsBinds
1719
1720   | otherwise
1721   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1722         ; extendLIEs not_for_me 
1723         ; extendLIEs irreds
1724         ; return binds }
1725   where
1726     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1727     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1728     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1729     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1730
1731     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1732                                                 -- so it's worth building a set, so that
1733                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1734 \end{code}
1735
1736
1737 %************************************************************************
1738 %*                                                                      *
1739 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1740 %*                                                                      *
1741 %************************************************************************
1742
1743 The main control over context reduction is here
1744
1745 \begin{code}
1746 data RedEnv 
1747   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1748            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1749            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1750            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1751                                                 -- Always dicts & equalities
1752                                                 -- but see Note [Rigidity]
1753  
1754            , red_given_scs :: Inst -> WantSCs   -- See Note [Recursive instances and superclases]
1755  
1756            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1757                                                 -- See Note [RedStack]
1758   }
1759
1760 -- Note [Rigidity]
1761 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1762 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1763 --      let ?x = e in ...
1764 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1765 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1766
1767 -- Note [RedStack]
1768 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1769 -- 'n' is always the depth of the stack.
1770 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1771 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1772
1773
1774 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1775 mkRedEnv doc try_me givens
1776   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1777              red_givens = givens, 
1778              red_given_scs = const AddSCs,
1779              red_stack = (0,[]),
1780              red_improve = True }       
1781
1782 mkInferRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1783 -- No givens at all
1784 mkInferRedEnv doc try_me
1785   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1786              red_givens = [], 
1787              red_given_scs = const AddSCs,
1788              red_stack = (0,[]),
1789              red_improve = True }       
1790
1791 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1792 -- Do not do improvement; no givens
1793 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1794   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1795              red_givens = [], 
1796              red_given_scs = const AddSCs,
1797              red_stack = (0,[]),
1798              red_improve = True }       
1799
1800 data WhatToDo
1801  = ReduceMe     -- Try to reduce this
1802                 -- If there's no instance, add the inst to the 
1803                 -- irreductible ones, but don't produce an error 
1804                 -- message of any kind.
1805                 -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1806
1807  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1808                         -- be reduced to a constant in one step
1809                         -- Do not add superclasses; see 
1810
1811 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1812                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1813         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1814         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1815
1816 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1817 zonkRedEnv env
1818   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1819        ; return $ env {red_givens = givens'}
1820        }
1821 \end{code}
1822
1823
1824 %************************************************************************
1825 %*                                                                      *
1826 \subsection[reduce]{@reduce@}
1827 %*                                                                      *
1828 %************************************************************************
1829
1830 Note [Ancestor Equalities]
1831 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1832 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1833 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1834 class constraints.  Consider the following code
1835
1836   class a ~ Int => C a
1837   instance C Int
1838
1839 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1840 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1841 discharge with the explicit instance.
1842
1843 \begin{code}
1844 reduceContext :: RedEnv
1845               -> [Inst]                 -- Wanted
1846               -> TcM (ImprovementDone,
1847                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1848                       [Inst])           -- Irreducible
1849
1850 reduceContext env wanteds0
1851   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1852              text "----------------------",
1853              red_doc env,
1854              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1855              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1856              text "----------------------"
1857              ]))
1858
1859           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1860           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1861           -- See Note [Ancestor Equalities]
1862         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanteds0
1863         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1864
1865           -- Normalise and solve all equality constraints as far as possible
1866           -- and normalise all dictionary constraints wrt to the reduced
1867           -- equalities.  The returned wanted constraints include the
1868           -- irreducible wanted equalities.
1869         ; let wanteds = wanteds0 ++ ancestor_eqs
1870               givens  = red_givens env
1871         ; (givens', 
1872            wanteds', 
1873            normalise_binds,
1874            eq_improved)     <- tcReduceEqs givens wanteds
1875         ; traceTc $ text "reduceContext: tcReduceEqs result" <+> vcat
1876                       [ppr givens', ppr wanteds', ppr normalise_binds]
1877
1878           -- Build the Avail mapping from "given_dicts"
1879         ; (init_state, _) <- getLIE $ do 
1880                 { init_state <- foldlM (addGiven (red_given_scs env)) 
1881                                        emptyAvails givens'
1882                 ; return init_state
1883                 }
1884
1885           -- Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1886           -- This may expose some further equational constraints...
1887         ; let (wanted_implics, wanted_dicts) = partition isImplicInst wanteds'
1888         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1889                    -- The getLIE is reqd because reduceList does improvement
1890                    -- (via extendAvails) which may in turn do unification
1891         ; (dict_binds, 
1892            bound_dicts, 
1893            dict_irreds)       <- extractResults avails wanted_dicts
1894         ; traceTc $ text "reduceContext: extractResults" <+> vcat
1895                       [ppr avails, ppr wanted_dicts, ppr dict_binds]
1896
1897           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1898           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1899           --              *or* for which we now have bindings, 
1900           --              *or* which are now irreds
1901           -- NB: Equality irreds need to be converted, as the recursive 
1902           --     invocation of the solver will still treat them as wanteds
1903           --     otherwise.
1904         ; let implic_env = env { red_givens 
1905                                    = givens ++ bound_dicts ++
1906                                      map wantedToLocalEqInst dict_irreds }
1907         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) 
1908             <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics
1909         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1910               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1911
1912           -- Collect all irreducible instances, and determine whether we should
1913           -- go round again.  We do so in either of two cases:
1914           -- (1) If dictionary reduction or equality solving led to
1915           --     improvement (i.e., instantiated type variables).
1916           -- (2) If we uncovered extra equalities.  We will try to solve them
1917           --     in the next iteration.
1918           -- (3) If we reduced dictionaries (i.e., got dictionary bindings),
1919           --     they may have exposed further opportunities to normalise
1920           --     family applications.  See Note [Dictionary Improvement]
1921
1922         ; let all_irreds       = dict_irreds ++ implic_irreds ++ extra_eqs
1923               avails_improved  = availsImproved avails
1924               improvedFlexible = avails_improved || eq_improved
1925               extraEqs         = (not . null) extra_eqs
1926               reduced_dicts    = not (isEmptyBag dict_binds)
1927               improved         = improvedFlexible || extraEqs || reduced_dicts
1928               --
1929               improvedHint  = (if avails_improved then " [AVAILS]" else "") ++
1930                               (if eq_improved then " [EQ]" else "") ++
1931                               (if extraEqs then " [EXTRA EQS]" else "")
1932
1933         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1934              text "----------------------",
1935              red_doc env,
1936              text "given" <+> ppr givens,
1937              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1938              text "----",
1939              text "avails" <+> pprAvails avails,
1940              text "improved =" <+> ppr improved <+> text improvedHint,
1941              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1942              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1943              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1944              text "----------------------"
1945              ]))
1946
1947         ; return (improved, 
1948                   normalise_binds `unionBags` dict_binds 
1949                                   `unionBags` implic_binds, 
1950                   all_irreds) 
1951         }
1952
1953 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1954 tcImproveOne avails inst
1955   | not (isDict inst) = return False
1956   | otherwise
1957   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1958         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1959                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1960                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1961                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1962                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1963                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1964                 -- It does not have duplicates (good)
1965                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in 
1966                 --    avails so that improve will see them separate
1967         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1968         ; unifyEqns eqns }
1969
1970 unifyEqns :: [(Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc))] 
1971           -> TcM ImprovementDone
1972 unifyEqns [] = return False
1973 unifyEqns eqns
1974   = do  { traceTc (ptext (sLit "Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1975         ; improved <- mapM unify eqns
1976         ; return $ or improved
1977         }
1978   where
1979     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1980          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ 
1981              do { let freeTyVars = unionVarSets (map tvs_pr pairs) 
1982                                    `minusVarSet` qtvs
1983                 ; (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1984                 ; mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1985                 ; anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems freeTyVars
1986                 }
1987
1988     unif_pr tenv (ty1, ty2) = unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1989
1990     tvs_pr (ty1, ty2) = tyVarsOfType ty1 `unionVarSet` tyVarsOfType ty2
1991
1992 pprEquationDoc :: (Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc)) -> SDoc
1993 pprEquationDoc (eqn, (p1, _), (p2, _)) 
1994   = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1995
1996 mkEqnMsg :: (TcPredType, SDoc) -> (TcPredType, SDoc) -> TidyEnv
1997          -> TcM (TidyEnv, SDoc)
1998 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1999   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1
2000         ; pred2' <- zonkTcPredType pred2
2001         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'
2002               ; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
2003         ; let msg = vcat [ptext (sLit "When using functional dependencies to combine"),
2004                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
2005                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
2006         ; return (tidy_env, msg) }
2007 \end{code}
2008
2009 Note [Dictionary Improvement]
2010 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2011 In reduceContext, we first reduce equalities and then class constraints.
2012 However, the letter may expose further opportunities for the former.  Hence,
2013 we need to go around again if dictionary reduction produced any dictionary
2014 bindings.  The following example demonstrated the point:
2015
2016   data EX _x _y (p :: * -> *)
2017   data ANY
2018
2019   class Base p
2020
2021   class Base (Def p) => Prop p where
2022    type Def p
2023
2024   instance Base ()
2025   instance Prop () where
2026    type Def () = ()
2027
2028   instance (Base (Def (p ANY))) => Base (EX _x _y p)
2029   instance (Prop (p ANY)) => Prop (EX _x _y p) where
2030    type Def (EX _x _y p) = EX _x _y p
2031
2032   data FOO x
2033   instance Prop (FOO x) where
2034    type Def (FOO x) = ()
2035
2036   data BAR
2037   instance Prop BAR where
2038    type Def BAR = EX () () FOO
2039
2040 During checking the last instance declaration, we need to check the superclass
2041 cosntraint Base (Def BAR), which family normalisation reduced to 
2042 Base (EX () () FOO).  Chasing the instance for Base (EX _x _y p), gives us
2043 Base (Def (FOO ANY)), which again requires family normalisation of Def to
2044 Base () before we can finish.
2045
2046
2047 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
2048
2049 \begin{code}
2050 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
2051 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
2052   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
2053         ; dopts <- getDOpts
2054         ; when (debugIsOn && (n > 8)) $ do
2055                 debugDumpTcRn (hang (ptext (sLit "Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
2056                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
2057         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
2058             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
2059           else
2060             go wanteds state }
2061   where
2062     go []     state = return state
2063     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
2064                          ; go ws state' }
2065
2066     -- Base case: we're done!
2067 reduce :: RedEnv -> Inst -> Avails -> TcM Avails
2068 reduce env wanted avails
2069
2070     -- We don't reduce equalities here (and they must not end up as irreds
2071     -- in the Avails!)
2072   | isEqInst wanted
2073   = return avails
2074
2075     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
2076   | Just _ <- findAvail avails wanted
2077   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
2078        ; return avails
2079        }
2080
2081   | otherwise
2082   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
2083         ; case red_try_me env wanted of {
2084             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
2085                         -- See Note [No superclasses for Stop]
2086
2087             ReduceMe -> do      -- It should be reduced
2088                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
2089                 ; case lookup_result of
2090                     NoInstance -> addIrred AddSCs avails wanted
2091                              -- Add it and its superclasses
2092                              
2093                     GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2094
2095                     GenInst wanteds' rhs
2096                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
2097                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
2098                                 ; addWanted AddSCs avails2 wanted rhs wanteds' } }
2099                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
2100                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
2101                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
2102                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2103                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
2104                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
2105                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
2106                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
2107     } }
2108   where
2109         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
2110         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
2111         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
2112     try_simple do_this_otherwise
2113       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
2114            ; case res of
2115                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2116                 _              -> do_this_otherwise avails wanted }
2117 \end{code}
2118
2119
2120 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2121 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2122 Consider 
2123     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2124     
2125     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2126         ZeroD     == ZeroD     = True
2127         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2128         _         == _         = False;
2129     
2130     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2131     equalDC = (==);
2132
2133 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2134
2135         d1 : Eq (D [])
2136
2137 by instance decl, holds if
2138         d2 : Eq [D []]
2139         where   d1 = dfEqD d2
2140
2141 by instance decl of Eq, holds if
2142         d3 : D []
2143         where   d2 = dfEqList d3
2144                 d1 = dfEqD d2
2145
2146 But now we can "tie the knot" to give
2147
2148         d3 = d1
2149         d2 = dfEqList d3
2150         d1 = dfEqD d2
2151
2152 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2153 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2154 contributing clauses.
2155         
2156 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2157 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2158 We need to be careful when adding "the constaint we are trying to prove".
2159 Suppose we are *given* d1:Ord a, and want to deduce (d2:C [a]) where
2160
2161         class Ord a => C a where
2162         instance Ord [a] => C [a] where ...
2163
2164 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2165 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2166 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2167 build a loop! 
2168
2169 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2170         class Monad m => C1 m
2171         class C1 m => C2 m x
2172         instance C2 Maybe Bool
2173 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2174 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2175 before we search for C1 Maybe.
2176
2177 Here's another example 
2178         class Eq b => Foo a b
2179         instance Eq a => Foo [a] a
2180 If we are reducing
2181         (Foo [t] t)
2182
2183 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2184 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2185
2186 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2187 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2188 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2189 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2190 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2191 first time, but reducible next time.
2192
2193 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2194 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2195
2196
2197
2198 %************************************************************************
2199 %*                                                                      *
2200                 Reducing a single constraint
2201 %*                                                                      *
2202 %************************************************************************
2203
2204 \begin{code}
2205 ---------------------------------------------
2206 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2207 reduceInst _ avails other_inst
2208   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2209         ; return (avails, result) }
2210 \end{code}
2211
2212 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2213 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2214
2215 An implication constraint is of the form 
2216         Given => Wanted 
2217 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2218 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2219 is distinct:
2220
2221 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2222    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2223    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2224    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2225
2226 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2227    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2228    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2229    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2230    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2231    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2232
2233 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2234 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2235 which are types.
2236
2237 \begin{code}
2238 ---------------------------------------------
2239 reduceImplication :: RedEnv
2240                   -> Inst
2241                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2242 \end{code}
2243
2244 Suppose we are simplifying the constraint
2245         forall bs. extras => wanted
2246 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2247
2248 Note that
2249   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2250         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2251                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2252
2253     This happens when you have something like
2254         data T a where
2255           T1 :: Eq a => a -> T a
2256
2257         f :: T a -> Int
2258         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2259
2260 \begin{code}
2261         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2262         --
2263         -- Note on coercion variables:
2264         --
2265         --      The extra given coercion variables are bound at two different 
2266         --      sites:
2267         --
2268         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2269         --              the solved equational constraints use these binders
2270         --
2271         --      -) at the solving site of the implication constraint
2272         --              the solved dictionaries use these binders;
2273         --              these binders are generated by reduceImplication
2274         --
2275         -- Note [Binders for equalities]
2276         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2277         -- To reuse the binders of local/given equalities in the binders of 
2278         -- implication constraints, it is crucial that these given equalities
2279         -- always have the form
2280         --   cotv :: t1 ~ t2
2281         -- where cotv is a simple coercion type variable (and not a more
2282         -- complex coercion term).  We require that the extra_givens always
2283         -- have this form and exploit the special form when generating binders.
2284 reduceImplication env
2285         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2286                                   tci_tyvars = tvs,
2287                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds
2288                                  })
2289   = do  {       -- Solve the sub-problem
2290         ; let try_me _ = ReduceMe  -- Note [Freeness and implications]
2291               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2292                          , red_doc = sep [ptext (sLit "reduceImplication for") 
2293                                             <+> ppr name,
2294                                           nest 2 (parens $ ptext (sLit "within")
2295                                                            <+> red_doc env)]
2296                          , red_try_me = try_me }
2297
2298         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2299                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2300                           ppr wanteds])
2301         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2302
2303         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2304                         [ppr irreds, ppr binds])
2305
2306         ; -- extract superclass binds
2307           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2308 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2309 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2310 --  
2311
2312         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2313         -- Then we must iterate the outer loop too!
2314
2315         ; didntSolveWantedEqs <- allM wantedEqInstIsUnsolved wanteds
2316                                    -- we solve wanted eqs by side effect!
2317
2318             -- Progress is no longer measered by the number of bindings
2319             -- If there are any irreds, but no bindings and no solved
2320             -- equalities, we back off and do nothing
2321         ; let backOff = isEmptyLHsBinds binds &&   -- no new bindings
2322                         (not $ null irreds)   &&   -- but still some irreds
2323                         didntSolveWantedEqs        -- no instantiated cotv
2324
2325         ; if backOff then       -- No progress
2326                 return (emptyBag, [orig_implic])
2327           else do
2328         { (simpler_implic_insts, bind) 
2329             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2330                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2331                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2332                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2333                 -- when inferring types.
2334
2335         ; let   -- extract Id binders for dicts and CoTyVar binders for eqs;
2336                 -- see Note [Binders for equalities]
2337               (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst 
2338                                                                extra_givens
2339               eq_cotvs = map instToVar extra_eq_givens
2340               dict_ids = map instToId  extra_dict_givens 
2341
2342                         -- Note [Always inline implication constraints]
2343               wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2344                           | otherwise     = WpInline
2345               co         = wrap_inline
2346                            <.> mkWpTyLams tvs
2347                            <.> mkWpTyLams eq_cotvs
2348                            <.> mkWpLams dict_ids
2349                            <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2350               rhs        = mkLHsWrap co payload
2351               loc        = instLocSpan inst_loc
2352                              -- wanted equalities are solved by updating their
2353                              -- cotv; we don't generate bindings for them
2354               dict_bndrs =   map (L loc . HsVar . instToId) 
2355                            . filter (not . isEqInst) 
2356                            $ wanteds
2357               payload    = mkBigLHsTup dict_bndrs
2358
2359         
2360         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2361                          ppr simpler_implic_insts,
2362                          text "->" <+> ppr rhs])
2363         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) rhs)),
2364                   simpler_implic_insts)
2365         } 
2366     }
2367 reduceImplication _ i = pprPanic "reduceImplication" (ppr i)
2368 \end{code}
2369
2370 Note [Always inline implication constraints]
2371 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2372 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2373 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2374 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2375 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2376 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2377 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2378 there is no loss of sharing as a result.
2379
2380 Note [Freeness and implications]
2381 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2382 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2383         forall {} Eq a => Foo [a]
2384 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2385 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2386
2387 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2388 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2389         forall {a}. () => Bar b
2390 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2391 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2392 must be much more careful:
2393         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2394 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2395 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2396
2397 Here is an even more exotic example
2398         class C a => D a b
2399 Now consider the constraint
2400         forall b. D Int b => C Int
2401 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2402 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2403 the constraints!
2404
2405 One more example: the constraint
2406         class C a => D a b
2407         instance (C a, E c) => E (a,c)
2408
2409         constraint: forall b. D Int b => E (Int,c)
2410
2411 You might think that the (D Int b) can't possibly contribute
2412 to solving (E (Int,c)), since the latter mentions 'c'.  But 
2413 in fact it can, because solving the (E (Int,c)) constraint needs 
2414 dictionaries
2415         C Int, E c
2416 and the (C Int) can be satisfied from the superclass of (D Int b).
2417 So we must still not float (E (Int,c)) out.
2418
2419 To think about: special cases for unary type classes?
2420
2421 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2422 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2423 Suppose we are about to form the implication constraint
2424         forall tvs.  Eq a => Ord b
2425 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2426 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2427 But BE CAREFUL of the examples above in [Freeness and implications].
2428
2429 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2430 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2431 advantage of that at the moment.
2432
2433 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2434
2435
2436 %************************************************************************
2437 %*                                                                      *
2438                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2439 %*                                                                      *
2440 %************************************************************************
2441
2442
2443 \begin{code}
2444 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2445
2446 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2447                                 -- so some Irreds might now be reducible
2448                                 -- keys that are now 
2449
2450 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2451 data AvailHow
2452   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2453                         -- which are going to be lambda bound
2454
2455   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2456                         -- e.g. those "given" in a signature
2457
2458   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2459         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2460         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2461
2462 instance Outputable Avails where
2463   ppr = pprAvails
2464
2465 pprAvails :: Avails -> SDoc
2466 pprAvails (Avails imp avails)
2467   = vcat [ ptext (sLit "Avails") <> (if imp then ptext (sLit "[improved]") else empty)
2468          , nest 2 $ braces $ 
2469            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2470                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2471
2472 instance Outputable AvailHow where
2473     ppr = pprAvail
2474
2475 -------------------------
2476 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2477 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2478 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2479 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2480                                nest 2 (ppr rhs)]
2481
2482 -------------------------
2483 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2484 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2485
2486 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2487 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2488         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2489         --  *not* by unique.  So
2490         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2491
2492 emptyAvails :: Avails
2493 emptyAvails = Avails False emptyFM
2494
2495 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2496 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2497
2498 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2499 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2500
2501 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2502 -- Does improvement
2503 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2504   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2505         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2506
2507 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2508 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2509
2510 availsImproved :: Avails -> ImprovementDone
2511 availsImproved (Avails imp _) = imp
2512 \end{code}
2513
2514 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2515 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2516 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2517 dependency analyser can sort them out later
2518
2519 \begin{code}
2520 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2521 -- Tracks which things we have evidence for
2522
2523 extractResults :: Avails
2524                -> [Inst]                -- Wanted
2525                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2526                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2527                        [Inst])          -- Irreducible ones
2528                         -- Note [Reducing implication constraints]
2529
2530 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2531   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2532   where
2533     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2534         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2535         -> [Inst]       -- Irreds
2536         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2537         -> [Inst]       -- Wanted
2538         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2539     go binds bound_dicts irreds _ [] 
2540       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2541
2542     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2543       | isEqInst w
2544       = go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2545
2546       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2547       = if w_id `elem` done_ids then
2548            go binds bound_dicts irreds done ws
2549         else
2550            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2551               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2552
2553       | otherwise       -- Not yet done
2554       = case findAvailEnv avails w of
2555           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2556                      go binds bound_dicts irreds done ws
2557
2558           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2559
2560           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2561
2562           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2563                 where
2564                   g_id = instToId g
2565                   binds' | w_id == g_id = binds
2566                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2567       where
2568         w_id  = instToId w      
2569         done' = addToFM done w [w_id]
2570         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2571 \end{code}
2572
2573
2574 Note [No superclasses for Stop]
2575 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2576 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2577 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2578 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2579         df::Floating a
2580         dn::Num a
2581 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2582 here lest we lose sharing.
2583
2584 \begin{code}
2585 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2586 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2587   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2588   where
2589     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2590
2591 addGiven :: (Inst -> WantSCs) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2592 addGiven want_scs avails given = addAvailAndSCs (want_scs given) avails given (Given given)
2593         -- Conditionally add superclasses for 'givens'
2594         -- See Note [Recursive instances and superclases]
2595         --
2596         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2597         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2598         -- so the assert isn't true
2599 \end{code}
2600
2601 \begin{code}
2602 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2603 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2604                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2605
2606 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2607 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2608   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2609   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2610   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2611                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2612                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2613   where
2614     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2615                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2616     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2617     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2618
2619     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2620     -- Find all the Insts that this one depends on
2621     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2622     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2623     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2624     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2625     findAllDeps so_far _            = so_far
2626
2627     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2628     find_all so_far kid
2629       | isEqInst kid                       = so_far
2630       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2631       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2632       | otherwise                          = so_far'
2633       where
2634         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2635         kid_id = instToId kid
2636
2637 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2638         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2639         -- The first param says "don't do this because the original thing
2640         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2641         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2642
2643 addSCs is_loop avails dict
2644   = ASSERT( isDict dict )
2645     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2646         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2647   where
2648     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2649     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2650     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2651                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2652
2653     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2654       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2655       | is_given sc_dict           = return avails
2656       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2657                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2658       where
2659         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2660         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2661
2662     is_given :: Inst -> Bool
2663     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2664                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2665                           _              -> False
2666
2667 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2668 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2669 --
2670 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2671 ancestorEqualities
2672   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2673     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2674     . bagToList 
2675     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2676     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2677     . filter isClassDict
2678   where
2679     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2680     addAEsToBag bag []           = bag
2681     addAEsToBag bag (pred:preds)
2682       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2683       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2684       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2685       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2686       where
2687         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2688         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2689         --
2690         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2691         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2692 \end{code}
2693
2694
2695 %************************************************************************
2696 %*                                                                      *
2697 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2698 %*                                                                      *
2699 %************************************************************************
2700
2701
2702 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2703 and ambiguous Insts.
2704
2705 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2706
2707         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2708
2709 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2710 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2711
2712 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2713
2714
2715 \begin{code}
2716 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2717 tcSimplifyTop wanteds
2718   = tc_simplify_top doc False wanteds
2719   where 
2720     doc = text "tcSimplifyTop"
2721
2722 tcSimplifyInteractive wanteds
2723   = tc_simplify_top doc True wanteds
2724   where 
2725     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2726
2727 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2728 -- error message generation for the monomorphism restriction
2729 tc_simplify_top :: SDoc -> Bool -> [Inst] -> TcM (Bag (LHsBind TcId))
2730 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2731   = do  { dflags <- getDOpts
2732         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2733         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2734
2735         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2736         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2737 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2738         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2739         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\_ -> True) irreds1
2740         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2741
2742                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2743                 -- NB: irreds2 are already zonked
2744         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2745
2746                 -- Deal with implicit parameters
2747         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2748               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2749
2750         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2751                                 --                  f x = x + ?y
2752         ; addNoInstanceErrs others
2753         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2754
2755         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2756   where
2757     doc1 = doc <+> ptext (sLit "(first round)")
2758     doc2 = doc <+> ptext (sLit "(approximate)")
2759     doc3 = doc <+> ptext (sLit "(disambiguate)")
2760 \end{code}
2761
2762 If a dictionary constrains a type variable which is
2763         * not mentioned in the environment
2764         * and not mentioned in the type of the expression
2765 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2766 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2767 parameter to a function.
2768
2769 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2770 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2771 Specifically, if
2772         * at least one of its classes is a numeric class, and
2773         * all of its classes are numeric or standard
2774 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2775 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2776
2777 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2778 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2779 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2780 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2781
2782 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2783 the same type variable.
2784
2785 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2786 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2787 the most common use of defaulting is code like:
2788 \begin{verbatim}
2789         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2790 \end{verbatim}
2791 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2792 @void@.
2793
2794 \begin{code}
2795 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2796         -- Just does unification to fix the default types
2797         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2798 disambiguate doc interactive dflags insts
2799   | null insts
2800   = return (insts, emptyBag)
2801
2802   | null defaultable_groups
2803   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2804         ; return (insts, emptyBag) }
2805
2806   | otherwise
2807   = do  {       -- Figure out what default types to use
2808           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2809
2810         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2811         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2812
2813         -- disambigGroup does unification, hence try again
2814         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2815
2816   where
2817    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2818    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2819
2820    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2821    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2822    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2823    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2824
2825         -- Finds unary type-class constraints
2826    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2827         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2828    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2829
2830                 -- Group by type variable
2831    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2832    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2833    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2834
2835    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2836    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2837         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2838         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2839         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2840    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2841
2842    defaultable_classes clss 
2843         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2844         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2845
2846         -- In interactive mode, or with -XExtendedDefaultRules,
2847         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2848    isInteractiveClass cls 
2849         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2850
2851    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2852         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2853         -- when -foverloaded-strings is enabled
2854
2855    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2856         -- Similarly is_std_class
2857
2858 -----------------------
2859 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2860               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2861               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2862
2863 disambigGroup default_tys dicts
2864   = try_default default_tys
2865   where
2866     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2867     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2868
2869     try_default [] = return ()
2870     try_default (default_ty : default_tys)
2871       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2872         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2873                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2874                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2875                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2876                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2877                 -- default list is Int.
2878
2879                 -- After this we can't fail
2880            ; warnDefault dicts default_ty
2881            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2882            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2883            }
2884
2885
2886 -----------------------
2887 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2888 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2889   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2890         ; case mb_defaults of {
2891            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2892            Nothing  -> do
2893
2894         -- No use-supplied default
2895         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2896         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2897         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2898         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2899         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2900                         -- Note [Default unitTy]
2901                         ++
2902                   [integer_ty,doubleTy]
2903                         ++
2904                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2905   where
2906     opt_deflt True  ty = [ty]
2907     opt_deflt False _  = []
2908 \end{code}
2909
2910 Note [Default unitTy]
2911 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2912 In interative mode (or with -XExtendedDefaultRules) we add () as the first type we
2913 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2914 Consider: 
2915         Text.Printf.printf "hello"
2916 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2917 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2918 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2919 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2920 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2921
2922 Note [Avoiding spurious errors]
2923 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2924 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2925 type variables, and simply don't default them.  For example:
2926    f = (*)      -- Monomorphic
2927    g :: Num a => a -> a
2928    g x = f x x
2929 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2930 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2931 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2932 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2933 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2934
2935
2936 %************************************************************************
2937 %*                                                                      *
2938 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2939 %*                                                                      *
2940 %************************************************************************
2941
2942 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2943
2944 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2945 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2946 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2947
2948 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2949 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2950 instance declarations.
2951
2952 \begin{code}
2953 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2954                 -> [TyVar]      
2955                 -> ThetaType            -- Wanted
2956                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2957 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2958 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2959
2960 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2961   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2962         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2963         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2964         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2965         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2966         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2967
2968         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2969         ; addNoInstanceErrs others
2970         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2971
2972         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2973               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2974                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2975                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2976
2977         ; return simpl_theta }
2978   where
2979     doc = ptext (sLit "deriving classes for a data type")
2980
2981     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2982             | otherwise   = False
2983 \end{code}
2984
2985
2986 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2987 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2988 whether it worked or not.
2989
2990 \begin{code}
2991 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2992                   -> TcM ()
2993
2994 tcSimplifyDefault theta = do
2995     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
2996     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2997     addNoInstanceErrs  irreds
2998     if null irreds then
2999         return ()
3000      else
3001         traceTc (ptext (sLit "tcSimplifyDefault failing")) >> failM
3002   where
3003     doc = ptext (sLit "default declaration")
3004 \end{code}
3005
3006
3007 %************************************************************************
3008 %*                                                                      *
3009 \section{Errors and contexts}
3010 %*                                                                      *
3011 %************************************************************************
3012
3013 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
3014 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
3015 now?
3016
3017 \begin{code}
3018 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
3019           -> [Inst]             -- The offending Insts
3020           -> TcM ()
3021 -- Group together insts with the same origin
3022 -- We want to report them together in error messages
3023
3024 groupErrs _ [] 
3025   = return ()
3026 groupErrs report_err (inst:insts)
3027   = do  { do_one (inst:friends)
3028         ; groupErrs report_err others }
3029   where
3030         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
3031         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
3032         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
3033    (friends, others) = partition is_friend insts
3034    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
3035    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
3036    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
3037                 -- Add location and context information derived from the Insts
3038
3039 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
3040 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
3041 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
3042
3043 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
3044 addTopIPErrs _ [] 
3045   = return ()
3046 addTopIPErrs bndrs ips
3047   = do  { dflags <- getDOpts
3048         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
3049   where
3050     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
3051     mk_msg dflags ips 
3052         = vcat [sep [ptext (sLit "Implicit parameters escape from"),
3053                 nest 2 (ptext (sLit "the monomorphic top-level binding") 
3054                                             <> plural bndrs <+> ptext (sLit "of")
3055                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
3056                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
3057                 monomorphism_fix dflags]
3058     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
3059
3060 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
3061 topIPErrs dicts
3062   = groupErrs report tidy_dicts
3063   where
3064     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3065     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
3066     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext (sLit "Unbound implicit parameter") <> 
3067                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
3068
3069 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3070                   -> TcM ()     
3071 addNoInstanceErrs insts
3072   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3073         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3074
3075 reportNoInstances 
3076         :: TidyEnv
3077         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3078                         -- Nothing => top level
3079                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3080                         --               with givens g
3081         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3082         -> TcM ()       
3083
3084 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3085   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3086
3087 report_no_instances :: TidyEnv -> Maybe (InstLoc, [Inst]) -> [Inst] -> TcM ()
3088 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3089   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3090        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3091              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3092              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3093        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3094                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3095        ; mapM_ complain_implic implics
3096        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3097        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3098        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3099        }
3100   where
3101     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3102
3103     complain_implic inst        -- Recurse!
3104       = reportNoInstances tidy_env 
3105                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3106                           (tci_wanted inst)
3107
3108     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3109         -- Right msg  => overlap message
3110         -- Left  inst => no instance
3111     check_overlap inst_envs wanted
3112         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3113         | otherwise
3114         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3115                 ([], _) -> Left wanted          -- No match
3116                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3117                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3118                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3119                 ([_],[])
3120                  | debugIsOn -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3121                 res -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3122           where
3123             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3124
3125     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3126       = ASSERT( not (null matches) )
3127         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext (sLit "Overlapping instances for") 
3128                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3129                 sep [ptext (sLit "Matching instances") <> colon,
3130                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3131                 if not (isSingleton matches)
3132                 then    -- Two or more matches
3133                      empty
3134                 else    -- One match, plus some unifiers
3135                 ASSERT( not (null unifiers) )
3136                 parens (vcat [ptext (sLit "The choice depends on the instantiation of") <+>
3137                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3138                               ptext (sLit "To pick the first instance above, use -XIncoherentInstances"),
3139                               ptext (sLit "when compiling the other instance declarations")])]
3140       where
3141         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3142
3143     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3144     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3145
3146     mk_no_inst_err insts
3147       | null insts = empty
3148
3149       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3150         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3151       = vcat [ addInstLoc insts $
3152                sep [ ptext (sLit "Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3153                    , nest 2 $ ptext (sLit "from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3154              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3155
3156       | otherwise       -- Top level 
3157       = vcat [ addInstLoc insts $
3158                ptext (sLit "No instance") <> plural insts
3159                     <+> ptext (sLit "for") <+> pprDictsTheta insts
3160              , show_fixes fixes2 ]
3161
3162       where
3163         fix1 loc = sep [ ptext (sLit "add") <+> pprDictsTheta insts
3164                                  <+> ptext (sLit "to the context of"),
3165                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3166                          -- I'm not sure it helps to add the location
3167                          -- nest 2 (ptext (sLit "at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3168
3169         fixes2 | null instance_dicts = []
3170                | otherwise           = [sep [ptext (sLit "add an instance declaration for"),
3171                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3172         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3173                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3174                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3175
3176         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3177         show_fixes []     = empty
3178         show_fixes (f:fs) = sep [ptext (sLit "Possible fix:"), 
3179                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext (sLit "or") <+>) fs))]
3180
3181 addTopAmbigErrs :: [Inst] -> TcRn ()
3182 addTopAmbigErrs dicts
3183 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3184   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3185                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3186     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3187   where
3188     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3189
3190     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3191     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3192     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3193     
3194     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3195     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3196           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3197           setSrcSpan (instSpan inst) $
3198                 -- the location of the first one will do for the err message
3199            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3200         where
3201           dicts = map fst pairs
3202           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3203                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3204                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3205           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3206     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3207
3208
3209 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3210 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3211 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3212 -- Try to identify the offending variable
3213 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3214 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3215   = do  { dflags <- getDOpts
3216         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3217         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3218   where
3219     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3220         =  vcat [ptext (sLit "Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3221                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3222                 ptext (sLit "Use :print or :force to determine these types")]
3223     mk_msg _ []   = ptext (sLit "Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3224                         -- This happens in things like
3225                         --      f x = show (read "foo")
3226                         -- where monomorphism doesn't play any role
3227     mk_msg dflags docs 
3228         = vcat [ptext (sLit "Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3229                 nest 2 (vcat docs),
3230                 monomorphism_fix dflags]
3231
3232 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3233 monomorphism_fix dflags
3234   = ptext (sLit "Probable fix:") <+> vcat
3235         [ptext (sLit "give these definition(s) an explicit type signature"),
3236          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3237            then ptext (sLit "or use -XNoMonomorphismRestriction")
3238            else empty]  -- Only suggest adding "-XNoMonomorphismRestriction"
3239                         -- if it is not already set!
3240     
3241 warnDefault :: [(Inst, Class, Var)] -> Type -> TcM ()
3242 warnDefault ups default_ty = do
3243     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3244     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3245   where
3246     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3247
3248         -- Tidy them first
3249     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3250     warn_msg  = vcat [ptext (sLit "Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3251                                 quotes (ppr default_ty),
3252                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3253
3254 reduceDepthErr :: Int -> [Inst] -> SDoc
3255 reduceDepthErr n stack
3256   = vcat [ptext (sLit "Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3257           ptext (sLit "Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3258           nest 4 (pprStack stack)]
3259
3260 pprStack :: [Inst] -> SDoc
3261 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3262 \end{code}