5fa838cd48942ca8fa71f6004ef284f7f1086509
[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 {-# OPTIONS -w #-}
10 -- The above warning supression flag is a temporary kludge.
11 -- While working on this module you are encouraged to remove it and fix
12 -- any warnings in the module. See
13 --     http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/Commentary/CodingStyle#Warnings
14 -- for details
15
16 module TcSimplify (
17         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
18         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
19         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
20         tcSimplifySuperClasses,
21         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
22         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
23
24         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
25         bindInstsOfLocalFuns, bindIrreds,
26
27         misMatchMsg
28     ) where
29
30 #include "HsVersions.h"
31
32 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
33 import HsSyn
34
35 import TcRnMonad
36 import Inst
37 import TcEnv
38 import InstEnv
39 import TcGadt
40 import TcType
41 import TcMType
42 import TcIface
43 import TcTyFuns
44 import TypeRep
45 import Var
46 import Name
47 import NameSet
48 import Class
49 import FunDeps
50 import PrelInfo
51 import PrelNames
52 import Type
53 import TysWiredIn
54 import ErrUtils
55 import BasicTypes
56 import VarSet
57 import VarEnv
58 import Module
59 import FiniteMap
60 import Bag
61 import Outputable
62 import Maybes
63 import ListSetOps
64 import Util
65 import UniqSet
66 import SrcLoc
67 import DynFlags
68
69 import Data.List
70 \end{code}
71
72
73 %************************************************************************
74 %*                                                                      *
75 \subsection{NOTES}
76 %*                                                                      *
77 %************************************************************************
78
79         --------------------------------------
80         Notes on functional dependencies (a bug)
81         --------------------------------------
82
83 Consider this:
84
85         class C a b | a -> b
86         class D a b | a -> b
87
88         instance D a b => C a b -- Undecidable 
89                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
90         f :: C a b => a -> Bool
91         f _ = True
92         
93         g :: C a b => a -> Bool
94         g = f
95
96 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
97 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
98
99 Here is a more complicated example:
100
101 | > class Foo a b | a->b
102 | >
103 | > class Bar a b | a->b
104 | >
105 | > data Obj = Obj
106 | >
107 | > instance Bar Obj Obj
108 | >
109 | > instance (Bar a b) => Foo a b
110 | >
111 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
112 | > foo _ = "works"
113 | >
114 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
115 | > runFoo f = f Obj
116
117 | *Test> runFoo foo
118
119 | <interactive>:1:
120 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
121 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
122 |     Probable fix:
123 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
124 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
125 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
126
127 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
128 | function foo didn't ask for that... 
129
130 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
131
132         Given constraint        Foo a b
133         Solve constraint        Foo a b'
134
135 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
136 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
137         simplify constraints
138         apply improvement
139         and loop
140
141 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
142 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
143 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
144 from.
145
146 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
147 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
148
149 Note [Choosing which variables to quantify]
150 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
151 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
152
153         G       the environment
154         T       the type of the RHS
155         C       the constraints from that RHS
156
157 The game is to figure out
158
159         Q       the set of type variables over which to quantify
160         Ct      the constraints we will *not* quantify over
161         Cq      the constraints we will quantify over
162
163 So we're going to infer the type
164
165         forall Q. Cq => T
166
167 and float the constraints Ct further outwards.
168
169 Here are the things that *must* be true:
170
171  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
172  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
173
174  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
175  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
176      we won't get a sufficiently general type.  
177
178 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
179 free vars of the environment G.
180
181         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
182
183 Example:        class H x y | x->y where ...
184
185         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
186                         T = c -> b
187
188         (A)  Q intersect {a} is empty
189         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
190
191         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
192
193 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
194 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
195 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
196 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
197
198 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
199 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
200 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
201 choose Q:
202
203         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
204
205 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
206 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
207 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
208 albeit perhaps too many.
209
210 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
211
212         class H x y | x->y where ...
213
214         T = c->c
215         C = (H c d)
216
217   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
218
219         forall c. H c d => c -> b
220
221   And then if the fn was called at several different c's, each of
222   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
223   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
224   everything that might be influenced by c.
225
226 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
227 all the functional dependencies yet:
228
229         class H x y | x->y where ...
230         instance H x y => Eq (T x y) where ...
231
232         T = c->c
233         C = (Eq (T c d))
234
235 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
236 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
237
238 There really isn't any point in quantifying over any more than
239 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
240 any other type variables.
241
242
243
244 -------------------------------------
245         Note [Ambiguity]
246 -------------------------------------
247
248 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
249
250         class K x
251         class H x y | x -> y
252         instance H x y => K (x,y)
253
254 Is this type ambiguous?
255         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
256
257 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
258 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
259 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
260 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
261
262 Here's another example: is this ambiguous?
263         forall a b. Eq (T b) => a -> a
264 Not if there's an insance decl (with no context)
265         instance Eq (T b) where ...
266
267 You may say of this example that we should use the instance decl right
268 away, but you can't always do that:
269
270         class J a b where ...
271         instance J Int b where ...
272
273         f :: forall a b. J a b => a -> a
274
275 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
276 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
277 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
278 when inferring a type for f.
279
280
281
282 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
283 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
284 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
285
286 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
287
288         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
289
290 (all tested before quantification).
291 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
292 in the environment, or by the variables in the type.
293
294 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
295
296         class J a b c | a b -> c
297         fv(G) = {a}
298
299 Is this ambiguous?
300         forall b c. (J a b c) => b -> b
301
302 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
303 do we see that c is fixed.
304
305 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
306 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
307 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
308 only issue a warning.
309
310
311 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
312
313         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
314
315 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
316 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
317 the nasty example?
318
319         class K x
320         class H x y | x -> y
321         instance H x y => K (x,y)
322
323 Is this type ambiguous?
324         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
325
326 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
327 is a "bubble" that's a set of constraints
328
329         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
330
331 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
332 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
333 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
334 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
335 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
336
337
338         --------------------------------------
339                 Notes on principal types
340         --------------------------------------
341
342     class C a where
343       op :: a -> a
344
345     f x = let g y = op (y::Int) in True
346
347 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
348 but we'll produce the non-principal type
349     f :: forall a. C Int => a -> a
350
351
352         --------------------------------------
353         The need for forall's in constraints
354         --------------------------------------
355
356 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
357
358   class C t where op :: t -> Bool
359   instance C [t] where op x = True
360
361   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
362   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
363
364 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
365 the pair on their right-hand sides.  And yet:
366
367   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
368   Hugs rejects q, but accepts p;
369   hbc rejects both p and q;
370   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
371
372 The type signature for f forces context reduction to take place, and
373 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
374 which in turn depends on which component of the pair the type checker
375 analyzes first.  
376
377 Solution: if y::m a, float out the constraints
378         Monad m, forall c. C (m c)
379 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
380
381
382         --------------------------------------
383                 Notes on implicit parameters
384         --------------------------------------
385
386 Note [Inheriting implicit parameters]
387 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
388 Consider this:
389
390         f x = (x::Int) + ?y
391
392 where f is *not* a top-level binding.
393 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
394 There are two types we might infer for f:
395
396         f :: Int -> Int
397
398 (so we get ?y from the context of f's definition), or
399
400         f :: (?y::Int) => Int -> Int
401
402 At first you might think the first was better, becuase then
403 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
404 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
405 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
406 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
407
408 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
409 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
410
411
412 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
413 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
414 What type should we infer for this?
415         f x = (show ?y, x::Int)
416 Since we must quantify over the ?y, the most plausible type is
417         f :: (Show a, ?y::a) => Int -> (String, Int)
418 But notice that the type of the RHS is (String,Int), with no type 
419 varibables mentioned at all!  The type of f looks ambiguous.  But
420 it isn't, because at a call site we might have
421         let ?y = 5::Int in f 7
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'  <- mappM 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 <- mappM 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_dictsin 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 qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
887 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
888 \end{code}
889
890
891 %************************************************************************
892 %*                                                                      *
893 \subsection{tcSimplifyCheck}
894 %*                                                                      *
895 %************************************************************************
896
897 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
898 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
899
900 \begin{code}
901 -----------------------------------------------------------
902 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
903 -- class decls, instance decls etc.
904 tcSimplifyCheck :: InstLoc
905                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
906                 -> [Inst]               -- Given
907                 -> [Inst]               -- Wanted
908                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
909 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
910   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
911     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
912         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
913         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
914         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
915
916 -----------------------------------------------------------
917 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
918 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
919                    -> [CoVar] -> Refinement
920                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
921                    -> [Inst]            -- Given
922                    -> [Inst]            -- Wanted
923                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
924 tcSimplifyCheckPat loc co_vars reft qtvs givens wanteds
925   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
926     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
927         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
928         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs co_vars reft 
929                                     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 [] emptyRefinement givens irreds
938
939 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
940             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
941             -> TcM TcDictBinds  
942 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
943 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
944 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
945   | null irreds
946   = return emptyBag
947   | otherwise
948   = do  { let givens' = filter isDict givens
949                 -- The givens can include methods
950                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
951
952            -- If there are no 'givens' *and* the refinement is empty
953            -- (the refinement is like more givens), then it's safe to 
954            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
955            -- See Note [Freeness and implications]
956         ; irreds' <- if null givens' && isEmptyRefinement reft
957                      then do
958                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
959                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
960                         ; extendLIEs frees
961                         ; return real_irreds }
962                      else return irreds
963         
964         ; let all_tvs = qtvs ++ co_vars -- Abstract over all these
965         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc all_tvs reft givens' irreds'
966                         -- This call does the real work
967                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
968         ; extendLIEs implics
969         ; return bind } 
970
971
972 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar] -> Refinement
973                     -> [Inst] -> [Inst]
974                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
975 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
976 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
977 -- The binding looks like
978 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
979 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
980 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
981 -- qtvs includes coercion variables
982 --
983 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
984 makeImplicationBind loc all_tvs reft
985                     givens      -- Guaranteed all Dicts (TOMDO: true?)
986                     irreds
987  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
988  = return ([], emptyBag)
989  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
990  = do   { uniq <- newUnique 
991         ; span <- getSrcSpanM
992         ; let (eq_givens,dict_givens) = partitionGivenEqInsts givens
993               eq_tyvar_cos =  map TyVarTy $ uniqSetToList $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens
994         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
995               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name, tci_reft = reft,
996                                          tci_tyvars = all_tvs, 
997                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
998                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
999         ; let
1000                 -- only create binder for dict_irreds
1001                 -- we 
1002               (eq_irreds,dict_irreds) = partitionWantedEqInsts irreds
1003               n_dict_irreds = length dict_irreds
1004               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1005               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_dict_irreds (map idType dict_irred_ids)
1006               pat = TuplePat (map nlVarPat dict_irred_ids) Boxed tup_ty
1007               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1008               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens) <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1009               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1010                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
1011                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1012                                                   pat_rhs_ty = tup_ty,
1013                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1014         ; -- pprTrace "Make implic inst" (ppr (implic_inst,irreds,dict_irreds,tup_ty)) $
1015           return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) }
1016
1017 -----------------------------------------------------------
1018 tryHardCheckLoop :: SDoc
1019              -> [Inst]                  -- Wanted
1020              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1021
1022 tryHardCheckLoop doc wanteds
1023   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
1024        ; return (irreds,binds)
1025        }
1026   where
1027     try_me inst = ReduceMe AddSCs
1028         -- Here's the try-hard bit
1029
1030 -----------------------------------------------------------
1031 gentleCheckLoop :: InstLoc
1032                -> [Inst]                -- Given
1033                -> [Inst]                -- Wanted
1034                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1035
1036 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1037   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop env wanteds
1038        ; return (irreds,binds)
1039        }
1040   where
1041     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1042
1043     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1044                 | otherwise          = Stop
1045         -- When checking against a given signature 
1046         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1047 \end{code}
1048
1049 Note [Check gently]
1050 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1051 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1052 Example:  
1053   data T a where
1054     MkT :: a -> T [a]
1055
1056   f :: Show b => T b -> b
1057   f (MkT x) = show [x]
1058
1059 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1060         b ~ [a]
1061 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1062 need it.  We are going to build an implication contraint
1063         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1064 Later, we will solve this constraint using the knowledg e(Show b)
1065         
1066 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1067 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1068 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1069 work until top level, when we solve the implication constraint
1070 with tryHardCheckLooop.
1071
1072
1073 \begin{code}
1074 -----------------------------------------------------------
1075 checkLoop :: RedEnv
1076           -> [Inst]                     -- Wanted
1077           -> TcM ([Inst], TcDictBinds,
1078                   [Inst])               -- needed givens
1079 -- Precondition: givens are completely rigid
1080 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1081
1082 checkLoop env wanteds
1083   = go env wanteds []
1084   where go env wanteds needed_givens
1085           = do { -- Givens are skolems, so no need to zonk them
1086                  wanteds' <- zonkInsts wanteds
1087         
1088                 ; (improved, binds, irreds, more_needed_givens) <- reduceContext env wanteds'
1089
1090                 ; let all_needed_givens = needed_givens ++ more_needed_givens
1091         
1092                 ; if not improved then
1093                      return (irreds, binds, all_needed_givens)
1094                   else do
1095         
1096                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1097                 -- We start again with irreds, not wanteds
1098                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
1099                 -- which might have been unified, so we'd get an infinite loop
1100                 -- if we started again with wanteds!  See Note [LOOP]
1101                 { (irreds1, binds1, all_needed_givens1) <- go env irreds all_needed_givens
1102                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1, all_needed_givens1) } }
1103 \end{code}
1104
1105 Note [LOOP]
1106 ~~~~~~~~~~~
1107         class If b t e r | b t e -> r
1108         instance If T t e t
1109         instance If F t e e
1110         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1111         instance Lte Z b T
1112         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1113
1114 Wanted: Max Z (S x) y
1115
1116 Then we'll reduce using the Max instance to:
1117         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1118 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1119 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1120 with (Max Z (S x) y)!
1121
1122
1123
1124 %************************************************************************
1125 %*                                                                      *
1126                 tcSimplifySuperClasses
1127 %*                                                                      *
1128 %************************************************************************
1129
1130 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1131 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1132 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1133 accidentally build a loop. Here's an example:
1134
1135   class S a
1136
1137   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1138   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1139   
1140   instance C Int where
1141      opc = opd
1142   
1143   instance D Int where
1144      opd = opc
1145
1146 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1147 Simplifying, we may well get:
1148         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1149         dd  = $dfDInt
1150         ds1 = $p1 dd
1151 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1152
1153 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1154
1155         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1156         dc  = $dfCInt
1157         ds2 = $p1 dc
1158
1159 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1160
1161 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1162 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1163
1164 Two more nasty cases are in
1165         tcrun021
1166         tcrun033
1167
1168 \begin{code}
1169 tcSimplifySuperClasses 
1170         :: InstLoc 
1171         -> [Inst]       -- Given 
1172         -> [Inst]       -- Wanted
1173         -> TcM TcDictBinds
1174 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1175   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1176         ; (irreds,binds1,_) <- checkLoop env sc_wanteds
1177         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1178         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1179         ; return binds1 }
1180   where
1181     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1182     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1183         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1184 \end{code}
1185
1186
1187 %************************************************************************
1188 %*                                                                      *
1189 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1190 %*                                                                      *
1191 %************************************************************************
1192
1193 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1194 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1195
1196 Eg1:    id = \x -> x
1197         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1198         
1199 Eg2:    eq = (==)
1200         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1201         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1202
1203 So, assume:
1204         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1205         RHS has constraints 'wanteds'
1206
1207 Plan A (simple)
1208   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1209   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1210   where we have         instance Monad (ST s) where...
1211   so there's no need to be monomorphic in s!
1212
1213   Also the constraint might be a method constraint,
1214   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1215           op :: Num a => a -> b -> a
1216   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1217         foo = op (3::Int)
1218   We want to infer the polymorphic type
1219         foo :: forall b. b -> b
1220
1221
1222 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1223   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1224   with Plan A's problem).  Then set
1225         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1226
1227   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1228   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1229   The reasons for this is to maximise sharing.
1230
1231   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1232   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1233   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1234   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1235   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1236   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1237   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1238
1239   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1240   the problem.
1241
1242
1243 Plan C (brutal)
1244   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1245   with Plan A's problem).  Then set
1246         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1247   Return the bindings from Step 1.
1248   
1249
1250 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1251 Consider this:
1252
1253       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1254
1255       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1256
1257       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1258       doDecodeIO codedValue view  
1259         = let { act = foo "foo" } in  act
1260
1261 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1262 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1263 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1264 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1265
1266 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1267 plan D
1268
1269
1270 Plan D (a variant of plan B)
1271   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1272   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1273         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1274
1275   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1276   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1277
1278   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1279   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1280   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1281   can always add a signature.  
1282
1283   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1284   improvement.
1285
1286
1287 \begin{code}
1288 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1289                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1290         :: SDoc
1291         -> TopLevelFlag
1292         -> [Name]               -- Things bound in this group
1293         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1294         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1295         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1296                 TcDictBinds)    -- Bindings
1297         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1298         -- quantify over; by definition there are none.
1299         -- They are all thrown back in the LIE
1300
1301 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1302         -- Zonk everything in sight
1303   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1304         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1305
1306         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1307         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1308         -- variables as possible, and we don't want to stop
1309         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1310         -- immediately, with no constraint on s.
1311         --
1312         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1313         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1314         --          a method Inst with an equality constraint
1315         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1316         ; (_imp, _binds, constrained_dicts, _) <- reduceContext env wanteds'
1317
1318         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1319         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1320         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1321         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1322
1323         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1324                                 -- As in tcSimplifyInfer
1325
1326                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1327                 -- this is the monomorphism restriction
1328               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1329               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1330               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1331
1332         -- Warn in the mono
1333         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1334         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1335                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1336                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1337                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1338
1339         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1340                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1341                 ppr _binds,
1342                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1343
1344         -- The first step may have squashed more methods than
1345         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1346         -- set of type variables to quantify over.
1347         --
1348         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1349         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1350         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1351         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1352         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1353         --
1354         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1355         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1356         -- just to float all constraints
1357         --
1358         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1359         -- expose implicit parameters to the test that follows
1360         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1361               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1362                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1363                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1364               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1365         ; (_imp, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1366
1367         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1368         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1369           if is_nested_group then
1370                 extendLIEs irreds
1371           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1372                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1373                   ; extendLIEs non_ips }
1374
1375         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1376         ; return (qtvs', binds) }
1377 \end{code}
1378
1379
1380 %************************************************************************
1381 %*                                                                      *
1382                 tcSimplifyRuleLhs
1383 %*                                                                      *
1384 %************************************************************************
1385
1386 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1387 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1388 as the available stuff for the RHS of the rule.
1389
1390 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1391         
1392         f (x == y) (y > z) = ...
1393
1394 If we typecheck this expression we get constraints
1395
1396         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1397
1398 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1399
1400         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1401           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1402
1403 Instead we want 
1404
1405         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1406           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1407
1408 Here is another example:
1409
1410         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1411         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1412
1413 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1414 we *dont* want to get
1415
1416         forall dIntegralInt.
1417            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1418
1419 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1420
1421         forall dIntegralInt, dNumInt.
1422           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1423
1424 Even if we have 
1425
1426         g (x == y) (y == z) = ..
1427
1428 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1429
1430         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1431           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1432
1433 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1434 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1435
1436 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1437 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1438 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1439
1440 \begin{code}
1441 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1442 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1443   = go [] emptyBag wanteds
1444   where
1445     go dicts binds []
1446         = return (dicts, binds)
1447     go dicts binds (w:ws)
1448         | isDict w
1449         = go (w:dicts) binds ws
1450         | otherwise
1451         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1452                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1453              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1454              ; case lookup_result of
1455                  GenInst ws' rhs -> go dicts (addBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1456                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1457           }
1458 \end{code}
1459
1460 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1461 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1462 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1463 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1464 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1465 this bracket again at its usage site.
1466
1467 \begin{code}
1468 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1469 tcSimplifyBracket wanteds
1470   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1471         ; return () }
1472   where
1473     doc = text "tcSimplifyBracket"
1474 \end{code}
1475
1476
1477 %************************************************************************
1478 %*                                                                      *
1479 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1480 %*                                                                      *
1481 %************************************************************************
1482
1483 When we have
1484         let ?x = R in B
1485
1486 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1487 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1488
1489 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1490
1491         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1492         let ?x = 3 in f 'c'
1493
1494 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1495 force the binding for ?x to be of type Int.
1496
1497 \begin{code}
1498 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1499               -> [Inst]         -- Wanted
1500               -> TcM TcDictBinds
1501         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1502         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1503         --      let ?x = e in ?x
1504         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1505         -- makes them the same.
1506
1507 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1508   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1509         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1510                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1511
1512         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1513         ; (improved, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1514
1515         ; if not improved then 
1516                 ASSERT( all is_free irreds )
1517                 do { extendLIEs irreds
1518                    ; return binds }
1519           else
1520                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1521   where
1522     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1523     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1524     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1525
1526         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1527     try_me inst | is_free inst = Stop
1528                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1529 \end{code}
1530
1531
1532 %************************************************************************
1533 %*                                                                      *
1534 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1535 %*                                                                      *
1536 %************************************************************************
1537
1538 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1539 For example, we might have...
1540 \begin{verbatim}
1541 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1542     f.1 = f Int     -- two instances of f
1543     f.2 = f Float
1544  in
1545     (f.1 5, f.2 6.7)
1546 \end{verbatim}
1547 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1548 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1549 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1550 there, they would have unresolvable references to @f@.
1551
1552 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1553 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1554 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1555 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1556
1557 \begin{code}
1558 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1559 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1560 --      fm = f tys dicts
1561 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1562 --      d1 = d2
1563 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1564 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1565
1566 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1567   | null overloaded_ids
1568         -- Common case
1569   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1570     returnM emptyLHsBinds
1571
1572   | otherwise
1573   = do  { (irreds, binds,_) <- checkLoop env for_me
1574         ; extendLIEs not_for_me 
1575         ; extendLIEs irreds
1576         ; return binds }
1577   where
1578     env = mkRedEnv doc try_me []
1579     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1580     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1581     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1582     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1583
1584     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1585                                                 -- so it's worth building a set, so that
1586                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1587     try_me inst | isMethod inst = ReduceMe NoSCs
1588                 | otherwise     = Stop
1589 \end{code}
1590
1591
1592 %************************************************************************
1593 %*                                                                      *
1594 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1595 %*                                                                      *
1596 %************************************************************************
1597
1598 The main control over context reduction is here
1599
1600 \begin{code}
1601 data RedEnv 
1602   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1603            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1604            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1605            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1606                                                 -- Always dicts
1607                                                 -- but see Note [Rigidity]
1608            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1609                                                 -- See Note [RedStack]
1610   }
1611
1612 -- Note [Rigidity]
1613 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1614 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1615 --      let ?x = e in ...
1616 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1617 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1618
1619 -- Note [RedStack]
1620 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1621 -- 'n' is always the depth of the stack.
1622 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1623 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1624
1625
1626 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1627 mkRedEnv doc try_me givens
1628   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1629              red_givens = givens, red_stack = (0,[]),
1630              red_improve = True }       
1631
1632 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1633 -- Do not do improvement; no givens
1634 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1635   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1636              red_givens = [], red_stack = (0,[]),
1637              red_improve = True }       
1638
1639 data WhatToDo
1640  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1641                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1642                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1643                         -- message of any kind.
1644                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1645
1646  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1647                         -- be reduced to a constant in one step
1648                         -- Do not add superclasses; see 
1649
1650 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1651                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1652         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1653         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1654 \end{code}
1655
1656 %************************************************************************
1657 %*                                                                      *
1658 \subsection[reduce]{@reduce@}
1659 %*                                                                      *
1660 %************************************************************************
1661
1662
1663 \begin{code}
1664 reduceContext :: RedEnv
1665               -> [Inst]                 -- Wanted
1666               -> TcM (ImprovementDone,
1667                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1668                       [Inst],           -- Irreducible
1669                       [Inst])           -- Needed givens
1670
1671 reduceContext env wanteds
1672   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1673              text "----------------------",
1674              red_doc env,
1675              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1676              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1677              text "----------------------"
1678              ]))
1679
1680
1681         ; let givens                    = red_givens env
1682               (given_eqs0,given_dicts0) = partitionGivenEqInsts  givens
1683               (wanted_eqs0,wanted_dicts) = partitionWantedEqInsts wanteds
1684
1685         ; wanted_ancestor_eqs <- (mapM wantedAncestorEqualities wanted_dicts >>= \ls -> return (concat ls))
1686         ; traceTc (text "test wanted SCs" <+> ppr wanted_ancestor_eqs)
1687         ; let wanted_eqs = wanted_ancestor_eqs ++ wanted_eqs0
1688
1689         ; -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1690           (given_eqs,eliminate_skolems) <- normaliseGivens given_eqs0
1691
1692         ; -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1693           --    wrt. the toplevel and given equations
1694           (given_dicts,given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs given_dicts0
1695
1696         ; -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1697           eq_irreds0 <- solveWanteds given_eqs wanted_eqs 
1698
1699           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to each other
1700         ; eq_irreds <- normaliseWanteds eq_irreds0
1701
1702 --         -- Do the real work
1703 --      -- Process non-implication constraints first, so that they are
1704 --      -- available to help solving the implication constraints
1705 --      --      ToDo: seems a bit inefficient and ad-hoc
1706 --      ; let (implics, rest) = partition isImplicInst wanteds
1707 --      ; avails <- reduceList env (rest ++ implics) init_state
1708
1709           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1710         ; init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1711
1712           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints
1713           --    This may expose some further equational constraints...
1714         ; wanted_dicts' <- zonkInsts wanted_dicts
1715         ; avails <- reduceList env wanted_dicts' init_state
1716         ; (binds, irreds0, needed_givens) <- extractResults avails wanted_dicts'
1717         ; traceTc (text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1718                         [ppr avails,ppr wanted_dicts',ppr binds,ppr needed_givens])
1719
1720         ; -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1721           --    wrt. the toplevel and given equations
1722           (irreds1,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs irreds0
1723
1724         ; -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1725           (irreds,normalise_binds2) <- substEqInDictInsts eq_irreds irreds1
1726                 
1727         ; -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1728           eliminate_skolems     
1729
1730           -- If there was some FD improvement,
1731           -- or new wanted equations have been exposed,
1732           -- we should have another go at solving.
1733         ; let improved = availsImproved avails 
1734                          || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1735                          || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1736                          || (not $ null $ fst $ partitionGivenEqInsts irreds)
1737
1738         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1739              text "----------------------",
1740              red_doc env,
1741              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1742              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1743              text "----",
1744              text "avails" <+> pprAvails avails,
1745              text "improved =" <+> ppr improved,
1746              text "irreds = " <+> ppr irreds,
1747              text "binds = " <+> ppr binds,
1748              text "needed givens = " <+> ppr needed_givens,
1749              text "----------------------"
1750              ]))
1751
1752         ; return (improved, given_binds `unionBags` normalise_binds1 `unionBags` normalise_binds2 `unionBags` binds, irreds ++ eq_irreds, needed_givens) }
1753
1754 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1755 tcImproveOne avails inst
1756   | not (isDict inst) = return False
1757   | otherwise
1758   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1759         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1760                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1761                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1762                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1763                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1764                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1765                 -- It does not have duplicates (good)
1766                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1767                 --    so that improve will see them separate
1768         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1769         ; unifyEqns eqns }
1770
1771 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1772           -> TcM ImprovementDone
1773 unifyEqns [] = return False
1774 unifyEqns eqns
1775   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1776         ; mappM_ unify eqns
1777         ; return True }
1778   where
1779     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1780          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2)   $
1781            tcInstTyVars (varSetElems qtvs)      `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1782            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1783     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1784
1785 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1786
1787 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1788   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1789         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1790         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1791                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1792                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1793         ; return (tidy_env, msg) }
1794 \end{code}
1795
1796 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1797
1798 \begin{code}
1799 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1800 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1801   = do  { dopts <- getDOpts
1802 #ifdef DEBUG
1803         ; if n > 8 then
1804                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1805                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1806           else return ()
1807 #endif
1808         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1809             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1810           else
1811             go wanteds state }
1812   where
1813     go []     state = return state
1814     go (w:ws) state = do { traceTc (text "reduceList " <+> ppr (w:ws) <+> ppr state)
1815                          ; state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1816                          ; go ws state' }
1817
1818     -- Base case: we're done!
1819 reduce env wanted avails
1820     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1821   | Just avail <- findAvail avails wanted
1822   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1823        ; returnM avails 
1824        }
1825
1826   | otherwise
1827   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr avails <+> ppr wanted)
1828         ; case red_try_me env wanted of {
1829             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1830                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1831
1832             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1833                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1834                 ; case lookup_result of
1835                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1836                              -- Add it and its superclasses
1837                              
1838                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1839
1840                     GenInst wanteds' rhs 
1841                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1842                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1843                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1844                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1845                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1846                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1847                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1848                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1849                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1850                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1851                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1852     } }
1853   where
1854         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1855         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1856         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1857     try_simple do_this_otherwise
1858       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1859            ; case res of
1860                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1861                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1862 \end{code}
1863
1864
1865 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1866 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1867 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1868 and want to deduce (d2:C [a]) where
1869
1870         class Ord a => C a where
1871         instance Ord [a] => C [a] where ...
1872
1873 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1874 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1875 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1876 build a loop! 
1877
1878 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1879         class Monad m => C1 m
1880         class C1 m => C2 m x
1881         instance C2 Maybe Bool
1882 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1883 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1884 before we search for C1 Maybe.
1885
1886 Here's another example 
1887         class Eq b => Foo a b
1888         instance Eq a => Foo [a] a
1889 If we are reducing
1890         (Foo [t] t)
1891
1892 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1893 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1894
1895 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1896 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1897 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1898 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1899 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
1900 first time, but reducible next time.
1901
1902 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1903 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1904
1905
1906 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1907 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1908 Consider 
1909     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1910     
1911     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1912         ZeroD     == ZeroD     = True
1913         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1914         _         == _         = False;
1915     
1916     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1917     equalDC = (==);
1918
1919 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1920
1921         d1 : Eq (D [])
1922
1923 by instance decl, holds if
1924         d2 : Eq [D []]
1925         where   d1 = dfEqD d2
1926
1927 by instance decl of Eq, holds if
1928         d3 : D []
1929         where   d2 = dfEqList d3
1930                 d1 = dfEqD d2
1931
1932 But now we can "tie the knot" to give
1933
1934         d3 = d1
1935         d2 = dfEqList d3
1936         d1 = dfEqD d2
1937
1938 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
1939 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
1940 contributing clauses.
1941         
1942
1943 %************************************************************************
1944 %*                                                                      *
1945                 Reducing a single constraint
1946 %*                                                                      *
1947 %************************************************************************
1948
1949 \begin{code}
1950 ---------------------------------------------
1951 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
1952 reduceInst env avails (ImplicInst { tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft, tci_loc = loc,
1953                                     tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
1954   = reduceImplication env avails reft tvs extra_givens wanteds loc
1955
1956 reduceInst env avails other_inst
1957   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
1958         ; return (avails, result) }
1959 \end{code}
1960
1961 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
1962 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1963
1964 An equational constraint is of the form 
1965         Given => Wanted 
1966 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
1967 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
1968 is distinct:
1969
1970 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
1971    implication constraint that is created at the code site where the wanted
1972    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
1973    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
1974
1975 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
1976    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
1977    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
1978    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
1979    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
1980    is limited because it only concerns coercions which are erased.
1981
1982 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
1983 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
1984 which are types.
1985
1986 \begin{code}
1987 ---------------------------------------------
1988 reduceImplication :: RedEnv
1989                  -> Avails
1990                  -> Refinement  -- May refine the givens; often empty
1991                  -> [TcTyVar]   -- Quantified type variables; all skolems
1992                  -> [Inst]      -- Extra givens; all rigid
1993                  -> [Inst]      -- Wanted
1994                  -> InstLoc
1995                  -> TcM (Avails, LookupInstResult)
1996 \end{code}
1997
1998 Suppose we are simplifying the constraint
1999         forall bs. extras => wanted
2000 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
2001 and refinment 'reft'.
2002
2003 Note that
2004   * The refinement is often empty
2005
2006   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
2007         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2008                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2009
2010     This happens when you have something like
2011         data T a where
2012           T1 :: Eq a => a -> T a
2013
2014         f :: T a -> Int
2015         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2016
2017 \begin{code}
2018         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2019         --
2020         -- Note on coercion variables:
2021         --
2022         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2023         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2024         --              the solved equational constraints use these binders
2025         --
2026         --      -) at the solving site of the implication constraint
2027         --              the solved dictionaries use these binders               
2028         --              these binders are generated by reduceImplication
2029         --
2030 reduceImplication env orig_avails reft tvs extra_givens wanteds inst_loc
2031   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
2032                 -- Todo fix this 
2033           (refined_red_givens,refined_avails)
2034                 <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env,orig_avails)
2035                    else foldlM (addRefinedGiven reft) ([],orig_avails) (red_givens env)
2036
2037                 -- Solve the sub-problem
2038         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
2039               env' = env { red_givens = refined_red_givens ++ extra_givens ++ availsInsts orig_avails
2040                          , red_try_me = try_me }
2041
2042         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2043                         [ ppr orig_avails,
2044                           ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2045                           ppr reft, ppr wanteds])
2046         ; (irreds,binds,needed_givens0) <- checkLoop env' wanteds
2047         ; let needed_givens1 = [ng | ng <- needed_givens0, notElem ng extra_givens]
2048
2049                 -- Note [Reducing implication constraints]
2050                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2051
2052         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2053                         [ppr irreds, ppr binds, ppr needed_givens1])
2054 --      ; avails <- reduceList env' wanteds avails
2055 -- 
2056 --              -- Extract the binding
2057 --      ; (binds, irreds) <- extractResults avails wanteds
2058         ; (refinement_binds,needed_givens) <- extractLocalResults refined_avails needed_givens1
2059         ; traceTc (text "reduceImplication local results" <+> vcat
2060                         [ppr refinement_binds, ppr needed_givens])
2061
2062         ; -- extract superclass binds
2063           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2064 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2065 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2066 --  
2067
2068                 -- We always discard the extra avails we've generated;
2069                 -- but we remember if we have done any (global) improvement
2070 --      ; let ret_avails = avails
2071         ; let ret_avails = orig_avails
2072 --      ; let ret_avails = updateImprovement orig_avails avails
2073
2074         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2075
2076 --      Porgress is no longer measered by the number of bindings
2077 --      ; if isEmptyLHsBinds binds then         -- No progress
2078         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then 
2079                 return (ret_avails, NoInstance)
2080           else do
2081         { 
2082         ; (implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens irreds
2083                         -- This binding is useless if the recursive simplification
2084                         -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2085                         -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2086                         -- when inferring types.
2087
2088         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2089                 (extra_eq_givens,extra_dict_givens) = partitionGivenEqInsts extra_givens
2090                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2091                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2092                 --  we need a different evidence for given
2093                 --  equations depending on whether we solve
2094                 --  dictionary constraints or equational constraints
2095                 eq_tyvars = uniqSetToList $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2096                 -- dict_ids = map instToId extra_givens
2097                 co  = mkWpTyLams tvs <.> mkWpTyLams eq_tyvars <.> mkWpLams dict_ids <.> WpLet (binds `unionBags` refinement_binds `unionBags` bind)
2098                 rhs = mkHsWrap co payload
2099                 loc = instLocSpan inst_loc
2100                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2101                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2102
2103         
2104         ; traceTc (text "reduceImplication ->"  <+> vcat
2105                         [ ppr ret_avails,
2106                           ppr implic_insts])
2107                 -- If there are any irreds, we back off and return NoInstance
2108         ; return (ret_avails, GenInst (implic_insts ++ needed_givens) (L loc rhs))
2109         } 
2110     }
2111 \end{code}
2112
2113 Note [Reducing implication constraints]
2114 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2115 Suppose we are trying to simplify
2116         (Ord a, forall b. C a b => (W [a] b, D c b))
2117 where
2118         instance (C a b, Ord a) => W [a] b
2119 When solving the implication constraint, we'll start with
2120         Ord a -> Irred
2121 in the Avails.  Then we add (C a b -> Given) and solve. Extracting
2122 the results gives us a binding for the (W [a] b), with an Irred of 
2123 (Ord a, D c b).  Now, the (Ord a) comes from "outside" the implication,
2124 but the (D d b) is from "inside".  So we want to generate a Rhs binding
2125 like this
2126
2127         ic = /\b \dc:C a b). (df a b dc do, ic' b dc)
2128            depending on
2129                 do :: Ord a
2130                 ic' :: forall b. C a b => D c b
2131
2132 The 'depending on' part of the Rhs is important, because it drives
2133 the extractResults code.
2134
2135 The "inside" and "outside" distinction is what's going on with 'inner' and
2136 'outer' in reduceImplication
2137
2138
2139 Note [Freeness and implications]
2140 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2141 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2142         forall {} Eq a => Foo [a]
2143 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2144 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2145
2146 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2147 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2148         forall {a}. () => Bar b
2149 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2150 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2151 must be much more careful:
2152         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2153 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2154 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2155
2156 Here is an even more exotic example
2157         class C a => D a b
2158 Now consider the constraint
2159         forall b. D Int b => C Int
2160 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2161 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2162 the constraints!
2163
2164 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2165 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2166 Suppose we are about to form the implication constraint
2167         forall tvs.  Eq a => Ord b
2168 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2169 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2170
2171 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2172 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2173 advantage of that at the moment.
2174
2175 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2176
2177
2178 %************************************************************************
2179 %*                                                                      *
2180                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2181 %*                                                                      *
2182 %************************************************************************
2183
2184
2185 \begin{code}
2186 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2187
2188 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2189                                 -- so some Irreds might now be reducible
2190                                 -- keys that are now 
2191
2192 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2193 data AvailHow
2194   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2195                         -- which are going to be lambda bound
2196
2197   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2198                         -- e.g. those "given" in a signature
2199
2200   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2201         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2202         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2203
2204 instance Outputable Avails where
2205   ppr = pprAvails
2206
2207 pprAvails (Avails imp avails)
2208   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2209          , nest 2 (vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2210                         | (inst,avail) <- fmToList avails ])]
2211
2212 instance Outputable AvailHow where
2213     ppr = pprAvail
2214
2215 -------------------------
2216 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2217 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2218 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2219 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> sep [ppr rhs, braces (ppr bs)]
2220
2221 -------------------------
2222 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2223 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2224
2225 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2226 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2227         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2228         --  *not* by unique.  So
2229         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2230
2231 emptyAvails :: Avails
2232 emptyAvails = Avails False emptyFM
2233
2234 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2235 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2236
2237 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2238 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2239
2240 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2241 -- Does improvement
2242 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail 
2243   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2244         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2245
2246 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2247 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2248
2249 availsImproved (Avails imp _) = imp
2250
2251 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2252 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2253 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2254 \end{code}
2255
2256 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2257 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2258 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2259 dependency analyser can sort them out later
2260
2261 \begin{code}
2262 extractResults :: Avails
2263                -> [Inst]                -- Wanted
2264                -> TcM ( TcDictBinds,    -- Bindings
2265                         [Inst],         -- Irreducible ones
2266                         [Inst])         -- Needed givens, i.e. ones used in the bindings
2267
2268 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2269   = go avails emptyBag [] [] wanteds
2270   where
2271     go :: AvailEnv -> TcDictBinds -> [Inst] -> [Inst] -> [Inst]
2272         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2273     go avails binds irreds givens [] 
2274       = returnM (binds, irreds, givens)
2275
2276     go avails binds irreds givens (w:ws)
2277       = case findAvailEnv avails w of
2278           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2279                      go avails binds irreds givens ws
2280
2281           Just (Given id) 
2282                 | id == w_id -> go avails binds irreds (w:givens) ws 
2283                 | otherwise  -> go avails (addBind binds w (nlHsVar id)) irreds (update_id w  id:givens) ws
2284                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
2285                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
2286
2287           Just IsIrred -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) givens ws
2288                 -- The add_given handles the case where we want (Ord a, Eq a), and we
2289                 -- don't want to emit *two* Irreds for Ord a, one via the superclass chain
2290                 -- This showed up in a dupliated Ord constraint in the error message for 
2291                 --      test tcfail043
2292
2293           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds givens (ws' ++ ws)
2294                              where      
2295                                 new_binds = addBind binds w rhs
2296       where
2297         w_id = instToId w       
2298         update_id m@(Method{}) id = m {tci_id = id}
2299         update_id w            id = w {tci_name = idName id} 
2300
2301     add_given avails w = extendAvailEnv avails w (Given (instToId w))
2302
2303 extractLocalResults :: Avails
2304                -> [Inst]                -- Wanted
2305                -> TcM ( TcDictBinds,    -- Bindings
2306                         [Inst])         -- Needed givens, i.e. ones used in the bindings
2307
2308 extractLocalResults (Avails _ avails) wanteds
2309   = go avails emptyBag [] wanteds
2310   where
2311     go :: AvailEnv -> TcDictBinds -> [Inst] -> [Inst]
2312         -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2313     go avails binds givens [] 
2314       = returnM (binds, givens)
2315
2316     go avails binds givens (w:ws)
2317       = case findAvailEnv avails w of
2318           Nothing -> -- pprTrace "Urk: extractLocalResults" (ppr w) $
2319                      go avails binds givens ws
2320
2321           Just IsIrred ->
2322                      go avails binds givens ws
2323
2324           Just (Given id) 
2325                 | id == w_id -> go avails binds (w:givens) ws 
2326                 | otherwise  -> go avails binds (w{tci_name=idName id}:givens) ws
2327                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
2328                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
2329
2330           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds givens (ws' ++ ws)
2331                              where      
2332                                 new_binds = addBind binds w rhs
2333       where
2334         w_id = instToId w       
2335
2336     add_given avails w = extendAvailEnv avails w (Given (instToId w))
2337 \end{code}
2338
2339
2340 Note [No superclasses for Stop]
2341 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2342 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2343 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2344 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2345         df::Floating a
2346         dn::Num a
2347 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2348 here lest we lose sharing.
2349
2350 \begin{code}
2351 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2352 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2353   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2354   where
2355     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2356
2357 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2358 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given (instToId given))
2359         -- Always add superclasses for 'givens'
2360         --
2361         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2362         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2363         -- so the assert isn't true
2364
2365 addRefinedGiven :: Refinement -> ([Inst], Avails) -> Inst -> TcM ([Inst], Avails)
2366 addRefinedGiven reft (refined_givens, avails) given
2367   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2368                         -- are always optional, so we can drop them
2369   , let pred = dictPred given
2370   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2371   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2372   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2373         ; let rhs = L (instSpan given) $
2374                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2375         ; avails <- addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given])
2376         ; return (new_given:refined_givens, avails) }
2377             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2378             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2379             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2380   | otherwise
2381   = return (refined_givens, avails)
2382 \end{code}
2383
2384 Note [ImplicInst rigidity]
2385 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2386 Consider
2387         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2388         
2389         ...(case x of C v -> <body>)...
2390
2391 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2392         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2393 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2394 of form
2395         forall c. <reft> => <payload>
2396 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2397 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2398 be wobbly. Hence the isRigidInst
2399
2400 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2401 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2402 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2403 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2404
2405 \begin{code}
2406 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2407 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2408                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2409
2410 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2411 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2412   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2413   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2414   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2415                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2416                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2417   where
2418     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2419                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2420     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToId inst)) avail
2421     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2422
2423     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2424     -- Find all the Insts that this one depends on
2425     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2426     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2427     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2428     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2429     findAllDeps so_far other        = so_far
2430
2431     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2432     find_all so_far kid
2433       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2434       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2435       | otherwise                          = so_far'
2436       where
2437         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2438         kid_id = instToId kid
2439
2440 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2441         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2442         -- The first param says "dont do this because the original thing
2443         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2444         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2445
2446 addSCs is_loop avails dict
2447   = ASSERT( isDict dict )
2448     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2449         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2450   where
2451     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2452     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2453     sc_theta' = substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2454
2455     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2456       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2457       | is_given sc_dict           = return avails
2458       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2459                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2460       where
2461         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2462         co_fn      = WpApp (instToId dict) <.> mkWpTyApps tys
2463
2464     is_given :: Inst -> Bool
2465     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2466                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2467                           other          -> False       
2468
2469
2470 wantedAncestorEqualities :: Inst -> TcM [Inst]
2471 wantedAncestorEqualities dict 
2472   | isClassDict dict
2473   = mapM mkWantedEqInst $ filter isEqPred $ bagToList $ wantedAncestorEqualities' (dictPred dict) emptyBag
2474   | otherwise
2475   = return []
2476
2477 wantedAncestorEqualities' :: PredType -> Bag PredType -> Bag PredType
2478 wantedAncestorEqualities' pred bag
2479   = ASSERT( isClassPred pred )
2480     let (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2481         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2482         sc_theta'                = substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2483         add_sc bag sc_pred
2484           | elemBag sc_pred bag  = bag
2485           | not (isEqPred sc_pred)
2486             && not (isClassPred sc_pred)
2487                                  = bag
2488           | isEqPred sc_pred     = consBag sc_pred bag
2489           | otherwise            = let bag' = consBag sc_pred bag
2490                                    in wantedAncestorEqualities' sc_pred bag'
2491     in foldl add_sc bag sc_theta'
2492
2493 \end{code}
2494
2495 %************************************************************************
2496 %*                                                                      *
2497 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2498 %*                                                                      *
2499 %************************************************************************
2500
2501
2502 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2503 and ambiguous Insts.
2504
2505 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2506
2507         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2508
2509 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2510 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2511
2512 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2513
2514
2515 \begin{code}
2516 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2517 tcSimplifyTop wanteds
2518   = tc_simplify_top doc False wanteds
2519   where 
2520     doc = text "tcSimplifyTop"
2521
2522 tcSimplifyInteractive wanteds
2523   = tc_simplify_top doc True wanteds
2524   where 
2525     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2526
2527 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2528 -- error message generation for the monomorphism restriction
2529 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2530   = do  { dflags <- getDOpts
2531         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2532         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2533
2534         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2535         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2536         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2537         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2538         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2539
2540                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2541                 -- NB: irreds2 are already zonked
2542         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2543
2544                 -- Deal with implicit parameters
2545         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2546               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2547
2548         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2549                                 --                  f x = x + ?y
2550         ; addNoInstanceErrs others
2551         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2552
2553         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2554   where
2555     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2556     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2557     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2558 \end{code}
2559
2560 If a dictionary constrains a type variable which is
2561         * not mentioned in the environment
2562         * and not mentioned in the type of the expression
2563 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2564 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2565 parameter to a function.
2566
2567 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2568 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2569 Specifically, if
2570         * at least one of its classes is a numeric class, and
2571         * all of its classes are numeric or standard
2572 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2573 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2574
2575 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2576 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2577 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2578 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2579
2580 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2581 the same type variable.
2582
2583 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2584 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2585 the most common use of defaulting is code like:
2586 \begin{verbatim}
2587         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2588 \end{verbatim}
2589 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2590 @void@.
2591
2592 \begin{code}
2593 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2594         -- Just does unification to fix the default types
2595         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2596 disambiguate doc interactive dflags insts
2597   | null insts
2598   = return (insts, emptyBag)
2599
2600   | null defaultable_groups
2601   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2602         ; return (insts, emptyBag) }
2603
2604   | otherwise
2605   = do  {       -- Figure out what default types to use
2606           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2607
2608         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2609         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2610
2611         -- disambigGroup does unification, hence try again
2612         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2613
2614   where
2615    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2616    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2617
2618    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2619    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2620    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2621    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2622
2623         -- Finds unary type-class constraints
2624    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2625         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2626    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2627
2628                 -- Group by type variable
2629    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2630    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2631    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2632
2633    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2634    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2635         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2636         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2637         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2638    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2639
2640    defaultable_classes clss 
2641         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2642         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2643
2644         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2645         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2646    isInteractiveClass cls 
2647         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2648
2649    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2650         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2651         -- when -foverloaded-strings is enabled
2652
2653    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2654         -- Similarly is_std_class
2655
2656 -----------------------
2657 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2658               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2659               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2660
2661 disambigGroup default_tys dicts
2662   = try_default default_tys
2663   where
2664     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2665     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2666
2667     try_default [] = return ()
2668     try_default (default_ty : default_tys)
2669       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2670         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2671                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2672                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2673                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2674                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2675                 -- default list is Int.
2676
2677                 -- After this we can't fail
2678            ; warnDefault dicts default_ty
2679            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2680            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2681            }
2682
2683
2684 -----------------------
2685 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2686 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2687   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2688         ; case mb_defaults of {
2689            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2690            Nothing  -> do
2691
2692         -- No use-supplied default
2693         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2694         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2695         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2696         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2697         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2698                         -- Note [Default unitTy]
2699                         ++
2700                   [integer_ty,doubleTy]
2701                         ++
2702                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2703   where
2704     opt_deflt True  ty = [ty]
2705     opt_deflt False ty = []
2706 \end{code}
2707
2708 Note [Default unitTy]
2709 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2710 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2711 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2712 Consider: 
2713         Text.Printf.printf "hello"
2714 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2715 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2716 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2717 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2718 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2719
2720 Note [Avoiding spurious errors]
2721 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2722 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2723 type variables, and simply don't default them.  For example:
2724    f = (*)      -- Monomorphic
2725    g :: Num a => a -> a
2726    g x = f x x
2727 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2728 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2729 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2730 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2731 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2732
2733
2734 %************************************************************************
2735 %*                                                                      *
2736 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2737 %*                                                                      *
2738 %************************************************************************
2739
2740 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2741
2742 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2743 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2744 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2745
2746 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2747 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2748 instance declarations.
2749
2750 \begin{code}
2751 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2752                 -> [TyVar]      
2753                 -> ThetaType            -- Wanted
2754                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2755 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2756 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2757
2758 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2759   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2760         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2761         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2762         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2763         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2764         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2765
2766         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2767         ; addNoInstanceErrs others
2768         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2769
2770         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2771               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2772                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2773                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2774
2775         ; return simpl_theta }
2776   where
2777     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2778
2779     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2780             | otherwise   = False
2781 \end{code}
2782
2783
2784 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2785 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2786 whether it worked or not.
2787
2788 \begin{code}
2789 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2790                   -> TcM ()
2791
2792 tcSimplifyDefault theta
2793   = newDictBndrsO DefaultOrigin theta   `thenM` \ wanteds ->
2794     tryHardCheckLoop doc wanteds        `thenM` \ (irreds, _) ->
2795     addNoInstanceErrs  irreds           `thenM_`
2796     if null irreds then
2797         returnM ()
2798     else
2799         failM
2800   where
2801     doc = ptext SLIT("default declaration")
2802 \end{code}
2803
2804
2805 %************************************************************************
2806 %*                                                                      *
2807 \section{Errors and contexts}
2808 %*                                                                      *
2809 %************************************************************************
2810
2811 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2812 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2813 now?
2814
2815 \begin{code}
2816 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2817           -> [Inst]             -- The offending Insts
2818           -> TcM ()
2819 -- Group together insts with the same origin
2820 -- We want to report them together in error messages
2821
2822 groupErrs report_err [] 
2823   = returnM ()
2824 groupErrs report_err (inst:insts) 
2825   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2826     groupErrs report_err others
2827
2828   where
2829         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2830         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2831         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2832    (friends, others) = partition is_friend insts
2833    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2834    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2835    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2836                 -- Add location and context information derived from the Insts
2837
2838 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2839 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2840 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2841
2842 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2843 addTopIPErrs bndrs [] 
2844   = return ()
2845 addTopIPErrs bndrs ips
2846   = do  { dflags <- getDOpts
2847         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2848   where
2849     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2850     mk_msg dflags ips 
2851         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2852                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2853                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2854                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2855                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2856                 monomorphism_fix dflags]
2857     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2858
2859 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2860 topIPErrs dicts
2861   = groupErrs report tidy_dicts
2862   where
2863     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2864     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2865     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2866                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2867
2868 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2869                   -> TcM ()     
2870 addNoInstanceErrs insts
2871   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
2872         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
2873
2874 reportNoInstances 
2875         :: TidyEnv
2876         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
2877                         -- Nothing => top level
2878                         -- Just (d,g) => d describes the construct
2879                         --               with givens g
2880         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
2881         -> TcM ()       
2882
2883 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
2884   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
2885
2886 report_no_instances tidy_env mb_what insts
2887   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
2888        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
2889              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
2890              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
2891        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
2892                        [ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
2893        ; mapM_ complain_implic implics
2894        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
2895        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
2896        ; mapM_ complain_eq eqInsts
2897        }
2898   where
2899     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
2900
2901     complain_implic inst        -- Recurse!
2902       = reportNoInstances tidy_env 
2903                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
2904                           (tci_wanted inst)
2905
2906     complain_eq EqInst {tci_left = lty, tci_right = rty, 
2907                         tci_loc = InstLoc _ _ ctxt}
2908       = do { (env, msg) <- misMatchMsg lty rty
2909            ; setErrCtxt ctxt $
2910                failWithTcM (env, msg)
2911            }
2912
2913     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
2914         -- Right msg  => overlap message
2915         -- Left  inst => no instance
2916     check_overlap inst_envs wanted
2917         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
2918         | otherwise
2919         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
2920                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
2921                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
2922                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
2923 #ifdef DEBUG
2924                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
2925 #endif
2926                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
2927                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
2928           where
2929             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
2930
2931     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2932       = ASSERT( not (null matches) )
2933         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
2934                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
2935                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2936                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
2937                 if not (isSingleton matches)
2938                 then    -- Two or more matches
2939                      empty
2940                 else    -- One match, plus some unifiers
2941                 ASSERT( not (null unifiers) )
2942                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2943                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
2944                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
2945                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
2946       where
2947         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
2948
2949     mk_no_inst_err insts
2950       | null insts = empty
2951
2952       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
2953         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
2954       = vcat [ addInstLoc insts $
2955                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
2956                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
2957              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
2958
2959       | otherwise       -- Top level 
2960       = vcat [ addInstLoc insts $
2961                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
2962                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
2963              , show_fixes fixes2 ]
2964
2965       where
2966         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
2967                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
2968                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
2969                          -- I'm not sure it helps to add the location
2970                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
2971
2972         fixes2 | null instance_dicts = []
2973                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
2974                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
2975         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2976                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2977                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2978
2979         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
2980         show_fixes []     = empty
2981         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
2982                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
2983
2984 addTopAmbigErrs dicts
2985 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
2986   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
2987                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
2988     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
2989   where
2990     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2991
2992     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
2993     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
2994     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
2995     
2996     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
2997     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
2998         = mkMonomorphismMsg tidy_env tvs        `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
2999           setSrcSpan (instSpan inst) $
3000                 -- the location of the first one will do for the err message
3001           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3002         where
3003           dicts = map fst pairs
3004           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3005                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3006                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3007           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3008     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3009
3010
3011 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3012 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3013 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3014 -- Try to identify the offending variable
3015 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3016 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3017   = do  { dflags <- getDOpts
3018         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3019         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3020   where
3021     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3022         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3023                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3024                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3025     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3026                         -- This happens in things like
3027                         --      f x = show (read "foo")
3028                         -- where monomorphism doesn't play any role
3029     mk_msg dflags docs 
3030         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3031                 nest 2 (vcat docs),
3032                 monomorphism_fix dflags]
3033
3034 isRuntimeUnk :: TcTyVar -> Bool
3035 isRuntimeUnk x | SkolemTv RuntimeUnkSkol <- tcTyVarDetails x = True
3036                | otherwise = False
3037
3038 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3039 monomorphism_fix dflags
3040   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3041         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3042          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3043            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3044            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3045                         -- if it is not already set!
3046     
3047 warnDefault ups default_ty
3048   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
3049     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3050   where
3051     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3052
3053         -- Tidy them first
3054     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3055     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3056                                 quotes (ppr default_ty),
3057                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3058
3059 reduceDepthErr n stack
3060   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3061           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3062           nest 4 (pprStack stack)]
3063
3064 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3065
3066 -----------------------
3067 misMatchMsg :: TcType -> TcType -> TcM (TidyEnv, SDoc)
3068 -- Generate the message when two types fail to match,
3069 -- going to some trouble to make it helpful.
3070 -- The argument order is: actual type, expected type
3071 misMatchMsg ty_act ty_exp
3072   = do  { env0 <- tcInitTidyEnv
3073         ; ty_exp <- zonkTcType ty_exp
3074         ; ty_act <- zonkTcType ty_act
3075         ; (env1, pp_exp, extra_exp) <- ppr_ty env0 ty_exp
3076         ; (env2, pp_act, extra_act) <- ppr_ty env1 ty_act
3077         ; return (env2, 
3078                   sep [sep [ptext SLIT("Couldn't match expected type") <+> pp_exp, 
3079                             nest 7 $
3080                               ptext SLIT("against inferred type") <+> pp_act],
3081                        nest 2 (extra_exp $$ extra_act)]) }
3082
3083 ppr_ty :: TidyEnv -> TcType -> TcM (TidyEnv, SDoc, SDoc)
3084 ppr_ty env ty
3085   = do  { let (env1, tidy_ty) = tidyOpenType env ty
3086         ; (env2, extra) <- ppr_extra env1 tidy_ty
3087         ; return (env2, quotes (ppr tidy_ty), extra) }
3088
3089 -- (ppr_extra env ty) shows extra info about 'ty'
3090 ppr_extra env (TyVarTy tv)
3091   | isSkolemTyVar tv || isSigTyVar tv
3092   = return (env1, pprSkolTvBinding tv1)
3093   where
3094     (env1, tv1) = tidySkolemTyVar env tv
3095
3096 ppr_extra env ty = return (env, empty)          -- Normal case
3097 \end{code}