Fix Trac #1814 (staging interaction in Template Haskell and GHCi), and add comments
[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, 
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 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
415 An *implicit parameter* cannot.  For example:
416         foo :: (?x :: [a]) => Int
417         foo = length ?x
418 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
419
420 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
421 propagate to the others.  E.g.
422         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
423         foo = show (?x++?x)
424 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
425 we might have
426         let ?x = 5::Int in foo
427 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
428 so we can take their type variables into account as part of the
429 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
430
431
432 Question 2: type signatures
433 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
434 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
435 to quantify over implicit parameters.  For example:
436
437         (?x + 1) :: Int
438
439 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
440
441         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
442
443 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
444 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
445 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
446 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
447
448 What about when you supply a type signature for a binding?
449 Is it legal to give the following explicit, user type 
450 signature to f, thus:
451
452         f :: Int -> Int
453         f x = (x::Int) + ?y
454
455 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
456 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
457 Consider this:
458
459         (let f x = (x::Int) + ?y
460          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
461
462                 returns (3+6, 3+5)
463 vs
464         (let f :: Int -> Int
465              f x = x + ?y
466          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
467
468                 returns (3+6, 3+6)
469
470 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
471 dynamic semantics.
472
473 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
474 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
475 change the typing you may change the semantics.
476
477 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
478 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
479 rule: 
480
481         a signature does not need to quantify over implicit params.
482
483 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
484 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
485 params for the reasons mentioned above.]
486
487 But that raises a new question.  Consider 
488
489         Given (signature)       ?x::Int
490         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
491
492 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
493 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
494 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
495 to float a constraint that
496         neither mentions any of the quantified type variables
497         nor any of the quantified implicit parameters
498
499 See the predicate isFreeWhenChecking.
500
501
502 Question 3: monomorphism
503 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
504 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
505
506         z = (x::Int) + ?y
507
508 The argument above suggests that we *must* generalise
509 over the ?y parameter, to get
510         z :: (?y::Int) => Int,
511 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
512         z :: Int.
513 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
514
515         let z = x + ?y in z+z
516
517 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
518 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
519
520
521 Question 4: top level
522 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
523 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
524
525     module Main where
526         main = let ?x = 5 in print foo
527
528         foo = woggle 3
529
530         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
531         woggle y = ?x + y
532
533 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
534 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
535
536
537 Possible choices
538 ~~~~~~~~~~~~~~~~
539 (A) Always generalise over implicit parameters
540     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
541         be generalised
542
543     Consequences:
544         * Inlining remains valid
545         * No unexpected loss of sharing
546         * But simple bindings like
547                 z = ?y + 1
548           will be rejected, unless you add an explicit type signature
549           (to avoid the monomorphism restriction)
550                 z :: (?y::Int) => Int
551                 z = ?y + 1
552           This seems unacceptable
553
554 (B) Monomorphism restriction "wins"
555     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
556         be generalised
557     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
558         that fall under the monomorphism restriction
559
560     Consequences
561         * Inlining isn't valid in general
562         * No unexpected loss of sharing
563         * Simple bindings like
564                 z = ?y + 1
565           accepted (get value of ?y from binding site)
566
567 (C) Always generalise over implicit parameters
568     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
569         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
570     Consequences
571         * Inlining remains valid
572         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
573         * Simple bindings like
574                 z = ?y + 1
575           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
576
577
578 Discussion
579 ~~~~~~~~~~
580 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
581 decide which we want to do.
582
583 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
584
585         z = (x::Int) + ?y
586
587 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
588 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
589 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
590 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
591 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
592 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
593
594 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
595 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
596 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
597 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
598 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
599 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
600 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
601 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
602 restriction altogether.
603
604 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
605
606
607
608 %************************************************************************
609 %*                                                                      *
610 \subsection{tcSimplifyInfer}
611 %*                                                                      *
612 %************************************************************************
613
614 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
615
616     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
617
618     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
619        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
620
621     3. Try improvement, using functional dependencies
622
623     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
624        (Unification can change the result of 'grow'.)
625
626 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
627 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
628 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
629 type variables than we absolutely have to.
630
631 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
632 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
633
634         class C x y | x->y where ...
635
636 and tcSimplify is called with:
637         (C Int a, C Int b)
638 Then improvement unifies a with b, giving
639         (C Int a, C Int a)
640
641 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
642 again.
643
644
645 \begin{code}
646 tcSimplifyInfer
647         :: SDoc
648         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
649         -> [Inst]               -- Wanted
650         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
651                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
652                 TcDictBinds)    -- Bindings
653         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
654 \end{code}
655
656
657 \begin{code}
658 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
659   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
660         ; wanted'  <- mappM zonkInst wanted     -- Zonk before deciding quantified tyvars
661         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
662         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
663               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
664               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
665                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
666
667                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
668                 -- constraints that don't mention qtvs at all
669         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
670         ; extendLIEs free
671
672                 -- To make types simple, reduce as much as possible
673         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
674                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
675         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
676
677                 -- Note [Inference and implication constraints]
678         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
679         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
680
681                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
682                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
683                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
684                 --    quantify over any variable free in the environment
685                 --    tc137 (function h inside g) is an example
686                 --
687                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
688                 --    mention quantified type variables, because they are
689                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
690                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
691                 --      g x = fst (f x)
692                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
693                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
694                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
695                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
696                 --    See test tcfail181
697                 --
698                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
699                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
700                 --          wanteds = Foo [a]
701                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
702                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
703         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
704         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
705                 -- Note that we start from gbl_tvs1
706                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
707                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
708                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
709                 --              gbl_tvs = {a}
710                 --              tau_tvs = {b}
711                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
712                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
713         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
714               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
715         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
716         ; extendLIEs free
717
718                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
719         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
720
721                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
722                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
723         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
724         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
725         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
726
727                 -- Prepare equality instances for quantification
728         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
729         ; q_eqs <- mappM finalizeEqInst q_eqs0
730
731         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
732         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
733         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
734
735 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
736 -- Note [Inference and implication constraints]
737 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
738 --      - fetching any dicts inside them that are free
739 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
740 --      - returning the extra ones too
741
742 approximateImplications doc want_dict irreds
743   | null extra_dicts 
744   = return (irreds, emptyBag)
745   | otherwise
746   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
747         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
748                 -- By adding extra_dicts', we make them 
749                 -- available to solve the implication constraints
750   where 
751     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
752
753     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
754         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
755         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
756     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
757
758     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
759                          | otherwise   = []
760     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
761         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
762               , d <- get_dicts wanteds 
763               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
764     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
765                            | otherwise   = [] 
766     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
767 \end{code}
768
769 Note [Inference and implication constraints]
770 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
771 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
772 a nested pattern match) like
773         C a => D [a]
774 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
775 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
776         instance (C a, E a) => D [a]
777 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
778 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
779 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
780 with 'given' implications.
781
782 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
783 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
784 the strange function get_dicts in approximateImplications.
785
786 The common cases are more clear-cut, when we have things like
787         forall a. C a => C b
788 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
789 Note [Freeness and implications].
790  
791 See Trac #1430 and test tc228.
792
793
794 \begin{code}
795 -----------------------------------------------------------
796 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
797 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
798 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
799 tcSimplifyInferCheck
800          :: InstLoc
801          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
802          -> [Inst]              -- Given
803          -> [Inst]              -- Wanted
804          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
805                  TcDictBinds)   -- Bindings
806
807 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
808   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
809         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
810
811         -- Figure out which type variables to quantify over
812         -- You might think it should just be the signature tyvars,
813         -- but in bizarre cases you can get extra ones
814         --      f :: forall a. Num a => a -> a
815         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
816         --      g a b = (b,a)
817         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
818         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
819         -- f isn't quantified over b.
820         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
821         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
822         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
823         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
824                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
825                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
826                 -- dictionaries, we quantify over
827
828         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
829
830                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
831         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
832
833         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
834         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
835 \end{code}
836
837 Note [Squashing methods]
838 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
839 Be careful if you want to float methods more:
840         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
841 From an application (truncate f i) we get
842         t1 = truncate at f
843         t2 = t1 at i
844 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
845         t3 = truncate at f
846         t4 = t3 at i
847 When simplifying with i,f free, we might still notice that
848 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
849 may continue to float out!
850
851
852 Note [NO TYVARS]
853 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
854         class Y a b | a -> b where
855             y :: a -> X b
856         
857         instance Y [[a]] a where
858             y ((x:_):_) = X x
859         
860         k :: X a -> X a -> X a
861
862         g :: Num a => [X a] -> [X a]
863         g xs = h xs
864             where
865             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
866
867 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
868 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
869 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
870 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
871 polymorphic in.  
872
873 The net effect of [NO TYVARS] 
874
875 \begin{code}
876 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
877 isFreeWhenInferring qtvs inst
878   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
879   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
880                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
881
882 {-      No longer used (with implication constraints)
883 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
884                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
885                    -> Inst -> Bool
886 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
887   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
888   && isFreeWrtIPs    ips inst
889 -}
890
891 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
892 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
893 \end{code}
894
895
896 %************************************************************************
897 %*                                                                      *
898 \subsection{tcSimplifyCheck}
899 %*                                                                      *
900 %************************************************************************
901
902 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
903 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
904
905 \begin{code}
906 -----------------------------------------------------------
907 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
908 -- class decls, instance decls etc.
909 tcSimplifyCheck :: InstLoc
910                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
911                 -> [Inst]               -- Given
912                 -> [Inst]               -- Wanted
913                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
914 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
915   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
916     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
917         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
918         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
919         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
920
921 -----------------------------------------------------------
922 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
923 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
924                    -> [CoVar] -> Refinement
925                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
926                    -> [Inst]            -- Given
927                    -> [Inst]            -- Wanted
928                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
929 tcSimplifyCheckPat loc co_vars reft qtvs givens wanteds
930   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
931     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
932         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
933         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs co_vars reft 
934                                     givens irreds
935         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
936
937 -----------------------------------------------------------
938 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
939            -> [Inst] -> [Inst]
940            -> TcM TcDictBinds
941 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
942   = bindIrredsR loc qtvs [] emptyRefinement givens irreds
943
944 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
945             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
946             -> TcM TcDictBinds  
947 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
948 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
949 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
950   | null irreds
951   = return emptyBag
952   | otherwise
953   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
954                 -- The givens can (redundantly) include methods
955                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
956                 -- There should be no implicadtion constraints
957                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
958
959            -- If there are no 'givens' *and* the refinement is empty
960            -- (the refinement is like more givens), then it's safe to 
961            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
962            -- See Note [Freeness and implications]
963         ; irreds' <- if null givens' && isEmptyRefinement reft
964                      then do
965                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
966                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
967                         ; extendLIEs frees
968                         ; return real_irreds }
969                      else return irreds
970         
971         ; let all_tvs = qtvs ++ co_vars -- Abstract over all these
972         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc all_tvs reft givens' irreds'
973                         -- This call does the real work
974                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
975         ; extendLIEs implics
976         ; return bind } 
977
978
979 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar] -> Refinement
980                     -> [Inst] -> [Inst]
981                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
982 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
983 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
984 -- The binding looks like
985 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
986 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
987 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
988 -- qtvs includes coercion variables
989 --
990 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
991 makeImplicationBind loc all_tvs reft
992                     givens      -- Guaranteed all Dicts
993                                 -- or EqInsts
994                     irreds
995  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
996  = return ([], emptyBag)
997  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
998  = do   { uniq <- newUnique 
999         ; span <- getSrcSpanM
1000         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
1001               eq_tyvar_cos = mkTyVarTys (varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens)
1002                 -- Urgh! See line 2187 or thereabouts.  I believe that all these
1003                 -- 'givens' must be a simple CoVar.  This MUST be cleaned up.
1004
1005         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
1006               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name, tci_reft = reft,
1007                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1008                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1009                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
1010         ; let   -- only create binder for dict_irreds
1011               (eq_irreds, dict_irreds) = partition isEqInst irreds
1012               n_dict_irreds = length dict_irreds
1013               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1014               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_dict_irreds (map idType dict_irred_ids)
1015               pat = TuplePat (map nlVarPat dict_irred_ids) Boxed tup_ty
1016               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1017               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens)
1018                     <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos
1019                     <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1020               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1021                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
1022                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1023                                                   pat_rhs_ty = tup_ty,
1024                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1025         ; -- pprTrace "Make implic inst" (ppr (implic_inst,irreds,dict_irreds,tup_ty)) $
1026           return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) }
1027
1028 -----------------------------------------------------------
1029 tryHardCheckLoop :: SDoc
1030              -> [Inst]                  -- Wanted
1031              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1032
1033 tryHardCheckLoop doc wanteds
1034   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
1035        ; return (irreds,binds)
1036        }
1037   where
1038     try_me inst = ReduceMe AddSCs
1039         -- Here's the try-hard bit
1040
1041 -----------------------------------------------------------
1042 gentleCheckLoop :: InstLoc
1043                -> [Inst]                -- Given
1044                -> [Inst]                -- Wanted
1045                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1046
1047 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1048   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop env wanteds
1049        ; return (irreds,binds)
1050        }
1051   where
1052     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1053
1054     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1055                 | otherwise          = Stop
1056         -- When checking against a given signature 
1057         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1058
1059 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1060                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1061 gentleInferLoop doc wanteds
1062   = do  { (irreds, binds, _) <- checkLoop env wanteds
1063         ; return (irreds, binds) }
1064   where
1065     env = mkRedEnv doc try_me []
1066     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1067                 | otherwise          = Stop
1068 \end{code}
1069
1070 Note [Check gently]
1071 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1072 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1073 Example:  
1074   data T a where
1075     MkT :: a -> T [a]
1076
1077   f :: Show b => T b -> b
1078   f (MkT x) = show [x]
1079
1080 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1081         b ~ [a]
1082 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1083 need it.  We are going to build an implication contraint
1084         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1085 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1086         
1087 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1088 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1089 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1090 work until top level, when we solve the implication constraint
1091 with tryHardCheckLooop.
1092
1093
1094 \begin{code}
1095 -----------------------------------------------------------
1096 checkLoop :: RedEnv
1097           -> [Inst]                     -- Wanted
1098           -> TcM ([Inst], TcDictBinds,
1099                   [Inst])               -- needed givens
1100 -- Precondition: givens are completely rigid
1101 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1102
1103 checkLoop env wanteds
1104   = go env wanteds []
1105   where go env wanteds needed_givens
1106           = do {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1107                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1108                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1109         
1110                 ; (improved, binds, irreds, more_needed_givens) <- reduceContext env' wanteds'
1111
1112                 ; let all_needed_givens = needed_givens ++ more_needed_givens
1113         
1114                 ; if not improved then
1115                      return (irreds, binds, all_needed_givens)
1116                   else do
1117         
1118                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1119                 -- We start again with irreds, not wanteds
1120                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
1121                 -- which might have been unified, so we'd get an infinite loop
1122                 -- if we started again with wanteds!  See Note [LOOP]
1123                 { (irreds1, binds1, all_needed_givens1) <- go env' irreds all_needed_givens
1124                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1, all_needed_givens1) } }
1125 \end{code}
1126
1127 Note [Zonking RedEnv]
1128 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1129 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1130 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1131 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1132 testsuite is
1133
1134   class Modular s a | s -> a
1135
1136   wim ::  forall a w. Integral a 
1137                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1138   wim i k = error "urk"
1139
1140   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1141   test5  =   error "urk"
1142
1143   test4   =   wim 4 test4'
1144
1145 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1146 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1147 whether the signature of test5 is an instance of 
1148
1149   (forall s. Modular s a => M s w)
1150
1151 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1152 givens. 
1153
1154 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1155 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1156 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1157 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1158 TcGadt.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1159
1160
1161 Note [LOOP]
1162 ~~~~~~~~~~~
1163         class If b t e r | b t e -> r
1164         instance If T t e t
1165         instance If F t e e
1166         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1167         instance Lte Z b T
1168         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1169
1170 Wanted: Max Z (S x) y
1171
1172 Then we'll reduce using the Max instance to:
1173         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1174 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1175 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1176 with (Max Z (S x) y)!
1177
1178
1179
1180 %************************************************************************
1181 %*                                                                      *
1182                 tcSimplifySuperClasses
1183 %*                                                                      *
1184 %************************************************************************
1185
1186 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1187 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1188 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1189 accidentally build a loop. Here's an example:
1190
1191   class S a
1192
1193   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1194   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1195   
1196   instance C Int where
1197      opc = opd
1198   
1199   instance D Int where
1200      opd = opc
1201
1202 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1203 Simplifying, we may well get:
1204         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1205         dd  = $dfDInt
1206         ds1 = $p1 dd
1207 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1208
1209 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1210
1211         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1212         dc  = $dfCInt
1213         ds2 = $p1 dc
1214
1215 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1216
1217 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1218 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1219
1220 Two more nasty cases are in
1221         tcrun021
1222         tcrun033
1223
1224 \begin{code}
1225 tcSimplifySuperClasses 
1226         :: InstLoc 
1227         -> [Inst]       -- Given 
1228         -> [Inst]       -- Wanted
1229         -> TcM TcDictBinds
1230 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1231   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1232         ; (irreds,binds1,_) <- checkLoop env sc_wanteds
1233         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1234         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1235         ; return binds1 }
1236   where
1237     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1238     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1239         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1240 \end{code}
1241
1242
1243 %************************************************************************
1244 %*                                                                      *
1245 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1246 %*                                                                      *
1247 %************************************************************************
1248
1249 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1250 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1251
1252 Eg1:    id = \x -> x
1253         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1254         
1255 Eg2:    eq = (==)
1256         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1257         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1258
1259 So, assume:
1260         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1261         RHS has constraints 'wanteds'
1262
1263 Plan A (simple)
1264   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1265   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1266   where we have         instance Monad (ST s) where...
1267   so there's no need to be monomorphic in s!
1268
1269   Also the constraint might be a method constraint,
1270   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1271           op :: Num a => a -> b -> a
1272   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1273         foo = op (3::Int)
1274   We want to infer the polymorphic type
1275         foo :: forall b. b -> b
1276
1277
1278 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1279   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1280   with Plan A's problem).  Then set
1281         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1282
1283   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1284   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1285   The reasons for this is to maximise sharing.
1286
1287   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1288   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1289   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1290   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1291   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1292   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1293   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1294
1295   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1296   the problem.
1297
1298
1299 Plan C (brutal)
1300   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1301   with Plan A's problem).  Then set
1302         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1303   Return the bindings from Step 1.
1304   
1305
1306 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1307 Consider this:
1308
1309       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1310
1311       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1312
1313       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1314       doDecodeIO codedValue view  
1315         = let { act = foo "foo" } in  act
1316
1317 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1318 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1319 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1320 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1321
1322 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1323 plan D
1324
1325
1326 Plan D (a variant of plan B)
1327   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1328   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1329         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1330
1331   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1332   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1333
1334   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1335   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1336   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1337   can always add a signature.  
1338
1339   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1340   improvement.
1341
1342
1343 \begin{code}
1344 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1345                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1346         :: SDoc
1347         -> TopLevelFlag
1348         -> [Name]               -- Things bound in this group
1349         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1350         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1351         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1352                 TcDictBinds)    -- Bindings
1353         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1354         -- quantify over; by definition there are none.
1355         -- They are all thrown back in the LIE
1356
1357 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1358         -- Zonk everything in sight
1359   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1360         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1361
1362         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1363         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1364         -- variables as possible, and we don't want to stop
1365         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1366         -- immediately, with no constraint on s.
1367         --
1368         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1369         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1370         --          a method Inst with an equality constraint
1371         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1372         ; (_imp, _binds, constrained_dicts, _) <- reduceContext env wanteds'
1373
1374         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1375         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1376         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1377         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1378
1379         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1380                                 -- As in tcSimplifyInfer
1381
1382                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1383                 -- this is the monomorphism restriction
1384               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1385               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1386               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1387
1388         -- Warn in the mono
1389         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1390         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1391                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1392                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1393                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1394
1395         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1396                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1397                 ppr _binds,
1398                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1399
1400         -- The first step may have squashed more methods than
1401         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1402         -- set of type variables to quantify over.
1403         --
1404         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1405         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1406         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1407         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1408         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1409         --
1410         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1411         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1412         -- just to float all constraints
1413         --
1414         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1415         -- expose implicit parameters to the test that follows
1416         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1417               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1418                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1419                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1420               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1421         ; (_imp, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1422
1423         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1424         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1425           if is_nested_group then
1426                 extendLIEs irreds
1427           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1428                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1429                   ; extendLIEs non_ips }
1430
1431         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1432         ; return (qtvs', binds) }
1433 \end{code}
1434
1435
1436 %************************************************************************
1437 %*                                                                      *
1438                 tcSimplifyRuleLhs
1439 %*                                                                      *
1440 %************************************************************************
1441
1442 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1443 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1444 as the available stuff for the RHS of the rule.
1445
1446 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1447         
1448         f (x == y) (y > z) = ...
1449
1450 If we typecheck this expression we get constraints
1451
1452         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1453
1454 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1455
1456         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1457           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1458
1459 Instead we want 
1460
1461         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1462           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1463
1464 Here is another example:
1465
1466         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1467         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1468
1469 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1470 we *dont* want to get
1471
1472         forall dIntegralInt.
1473            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1474
1475 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1476
1477         forall dIntegralInt, dNumInt.
1478           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1479
1480 Even if we have 
1481
1482         g (x == y) (y == z) = ..
1483
1484 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1485
1486         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1487           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1488
1489 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1490 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1491
1492 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1493 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1494 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1495
1496 \begin{code}
1497 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1498 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1499   = go [] emptyBag wanteds
1500   where
1501     go dicts binds []
1502         = return (dicts, binds)
1503     go dicts binds (w:ws)
1504         | isDict w
1505         = go (w:dicts) binds ws
1506         | otherwise
1507         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1508                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1509              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1510              ; case lookup_result of
1511                  GenInst ws' rhs -> 
1512                    go dicts (addInstToDictBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1513                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1514           }
1515 \end{code}
1516
1517 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1518 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1519 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1520 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1521 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1522 this bracket again at its usage site.
1523
1524 \begin{code}
1525 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1526 tcSimplifyBracket wanteds
1527   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1528         ; return () }
1529   where
1530     doc = text "tcSimplifyBracket"
1531 \end{code}
1532
1533
1534 %************************************************************************
1535 %*                                                                      *
1536 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1537 %*                                                                      *
1538 %************************************************************************
1539
1540 When we have
1541         let ?x = R in B
1542
1543 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1544 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1545
1546 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1547
1548         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1549         let ?x = 3 in f 'c'
1550
1551 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1552 force the binding for ?x to be of type Int.
1553
1554 \begin{code}
1555 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1556               -> [Inst]         -- Wanted
1557               -> TcM TcDictBinds
1558         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1559         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1560         --      let ?x = e in ?x
1561         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1562         -- makes them the same.
1563
1564 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1565   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1566         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1567                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1568
1569         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1570         ; (improved, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1571
1572         ; if not improved then 
1573                 ASSERT( all is_free irreds )
1574                 do { extendLIEs irreds
1575                    ; return binds }
1576           else
1577                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1578   where
1579     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1580     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1581     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1582
1583         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1584     try_me inst | is_free inst = Stop
1585                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1586 \end{code}
1587
1588
1589 %************************************************************************
1590 %*                                                                      *
1591 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1592 %*                                                                      *
1593 %************************************************************************
1594
1595 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1596 For example, we might have...
1597 \begin{verbatim}
1598 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1599     f.1 = f Int     -- two instances of f
1600     f.2 = f Float
1601  in
1602     (f.1 5, f.2 6.7)
1603 \end{verbatim}
1604 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1605 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1606 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1607 there, they would have unresolvable references to @f@.
1608
1609 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1610 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1611 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1612 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1613
1614 \begin{code}
1615 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1616 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1617 --      fm = f tys dicts
1618 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1619 --      d1 = d2
1620 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1621 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1622
1623 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1624   | null overloaded_ids
1625         -- Common case
1626   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1627     returnM emptyLHsBinds
1628
1629   | otherwise
1630   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1631         ; extendLIEs not_for_me 
1632         ; extendLIEs irreds
1633         ; return binds }
1634   where
1635     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1636     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1637     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1638     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1639
1640     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1641                                                 -- so it's worth building a set, so that
1642                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1643 \end{code}
1644
1645
1646 %************************************************************************
1647 %*                                                                      *
1648 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1649 %*                                                                      *
1650 %************************************************************************
1651
1652 The main control over context reduction is here
1653
1654 \begin{code}
1655 data RedEnv 
1656   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1657            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1658            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1659            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1660                                                 -- Always dicts
1661                                                 -- but see Note [Rigidity]
1662            , red_reft :: Refinement             -- The refinement to apply to the 'givens'
1663                                                 -- You should think of it as 'given equalities'
1664            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1665                                                 -- See Note [RedStack]
1666   }
1667
1668 -- Note [Rigidity]
1669 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1670 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1671 --      let ?x = e in ...
1672 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1673 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1674
1675 -- Note [RedStack]
1676 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1677 -- 'n' is always the depth of the stack.
1678 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1679 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1680
1681
1682 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1683 mkRedEnv doc try_me givens
1684   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1685              red_givens = givens, 
1686              red_reft = emptyRefinement,
1687              red_stack = (0,[]),
1688              red_improve = True }       
1689
1690 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1691 -- Do not do improvement; no givens
1692 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1693   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1694              red_givens = [], red_reft = emptyRefinement,
1695              red_stack = (0,[]),
1696              red_improve = True }       
1697
1698 data WhatToDo
1699  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1700                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1701                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1702                         -- message of any kind.
1703                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1704
1705  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1706                         -- be reduced to a constant in one step
1707                         -- Do not add superclasses; see 
1708
1709 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1710                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1711         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1712         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1713
1714 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1715 zonkRedEnv env 
1716   = do { givens' <- mappM zonkInst (red_givens env)
1717        ; return $ env {red_givens = givens'}
1718        }
1719 \end{code}
1720
1721
1722 %************************************************************************
1723 %*                                                                      *
1724 \subsection[reduce]{@reduce@}
1725 %*                                                                      *
1726 %************************************************************************
1727
1728 Note [Ancestor Equalities]
1729 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1730 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1731 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1732 class constraints.  Consider the following code
1733
1734   class a ~ Int => C a
1735   instance C Int
1736
1737 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1738 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1739 discharge with the explicit instance.
1740
1741 \begin{code}
1742 reduceContext :: RedEnv
1743               -> [Inst]                 -- Wanted
1744               -> TcM (ImprovementDone,
1745                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1746                       [Inst],           -- Irreducible
1747                       [Inst])           -- Needed givens
1748
1749 reduceContext env wanteds
1750   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1751              text "----------------------",
1752              red_doc env,
1753              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1754              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1755              text "----------------------"
1756              ]))
1757
1758
1759         ; let givens                       = red_givens env
1760               (given_eqs0, given_dicts0)   = partition isEqInst givens
1761               (wanted_eqs0, wanted_dicts0) = partition isEqInst wanteds
1762
1763           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1764           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1765           -- See Note [Ancestor Equalities]
1766         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanted_dicts0
1767         ; let wanted_eqs = wanted_eqs0 ++ ancestor_eqs
1768         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1769
1770           -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1771         ; (given_eqs, eliminate_skolems) <- normaliseGivenEqs given_eqs0
1772
1773           -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1774           --    wrt. the toplevel and given equations
1775         ; (given_dicts, given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs
1776                                                             given_dicts0
1777
1778           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1779           --    Add dicts refined by the current type refinement
1780         ; (init_state, extra_givens) <- getLIE $ do 
1781                 { init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1782                 ; let reft = red_reft env
1783                 ; if isEmptyRefinement reft then return init_state
1784                   else foldlM (addRefinedGiven reft)
1785                                     init_state given_dicts }
1786
1787         -- *** ToDo: what to do with the "extra_givens"?  For the
1788         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1789
1790           -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1791           --    wrt. the toplevel and given equations
1792           -- NB: normalisation includes zonking as part of what it does
1793           --     so it's important to do it after any unifications
1794           --     that happened as a result of the addGivens
1795         ; (wanted_dicts,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs wanted_dicts0
1796
1797           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints
1798           --    This may expose some further equational constraints...
1799         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1800         ; let (binds, irreds1, needed_givens) = extractResults avails wanted_dicts
1801         ; traceTc $ text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1802                       [ppr avails,ppr wanted_dicts,ppr binds,ppr needed_givens]
1803
1804         -- *** ToDo: what to do with the "extra_eqs"?  For the
1805         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1806
1807           -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1808         ; eq_irreds0 <- solveWantedEqs given_eqs wanted_eqs
1809
1810           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to
1811           --    each other 
1812         ; eq_irreds <- normaliseWantedEqs eq_irreds0
1813
1814           -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1815         ; (irreds,normalise_binds2) <- substEqInDictInsts eq_irreds irreds1
1816                 
1817           -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1818         ; eliminate_skolems     
1819
1820           -- Figure out whether we should go round again
1821           -- My current plan is to see if any of the mutable tyvars in
1822           -- givens or irreds has been filled in by improvement.  
1823           -- If so, there is merit in going around again, because
1824           -- we may make further progress
1825           -- 
1826           -- ToDo: is it only mutable stuff?  We may have exposed new
1827           --       equality constraints and should probably go round again
1828           --       then as well.  But currently we are dropping them on the
1829           --       floor anyway.
1830
1831         ; let all_irreds = irreds ++ eq_irreds
1832         ; improved <- anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems $
1833                       tyVarsOfInsts (givens ++ all_irreds)
1834
1835         -- The old plan (fragile)
1836         -- improveed   = availsImproved avails 
1837         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1838         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1839         --               || (any isEqInst irreds)
1840
1841         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1842              text "----------------------",
1843              red_doc env,
1844              text "given" <+> ppr givens,
1845              text "given_eqs" <+> ppr given_eqs,
1846              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1847              text "wanted_dicts" <+> ppr wanted_dicts,
1848              text "----",
1849              text "avails" <+> pprAvails avails,
1850              text "improved =" <+> ppr improved,
1851              text "irreds = " <+> ppr irreds,
1852              text "binds = " <+> ppr binds,
1853              text "needed givens = " <+> ppr needed_givens,
1854              text "----------------------"
1855              ]))
1856
1857         ; return (improved, 
1858                   given_binds `unionBags` normalise_binds1 
1859                               `unionBags` normalise_binds2 
1860                               `unionBags` binds, 
1861                   all_irreds,
1862                   needed_givens) 
1863         }
1864
1865 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1866 tcImproveOne avails inst
1867   | not (isDict inst) = return False
1868   | otherwise
1869   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1870         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1871                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1872                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1873                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1874                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1875                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1876                 -- It does not have duplicates (good)
1877                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1878                 --    so that improve will see them separate
1879         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1880         ; unifyEqns eqns }
1881
1882 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1883           -> TcM ImprovementDone
1884 unifyEqns [] = return False
1885 unifyEqns eqns
1886   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1887         ; mappM_ unify eqns
1888         ; return True }
1889   where
1890     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1891          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2)   $
1892            tcInstTyVars (varSetElems qtvs)      `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1893            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1894     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1895
1896 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1897
1898 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1899   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1900         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1901         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1902                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1903                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1904         ; return (tidy_env, msg) }
1905 \end{code}
1906
1907 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1908
1909 \begin{code}
1910 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1911 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1912   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1913         ; dopts <- getDOpts
1914 #ifdef DEBUG
1915         ; if n > 8 then
1916                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1917                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1918           else return ()
1919 #endif
1920         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1921             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1922           else
1923             go wanteds state }
1924   where
1925     go []     state = return state
1926     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1927                          ; go ws state' }
1928
1929     -- Base case: we're done!
1930 reduce env wanted avails
1931     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1932   | Just avail <- findAvail avails wanted
1933   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1934        ; returnM avails 
1935        }
1936
1937   | otherwise
1938   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
1939         ; case red_try_me env wanted of {
1940             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1941                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1942
1943             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1944                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1945                 ; case lookup_result of
1946                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1947                              -- Add it and its superclasses
1948                              
1949                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1950
1951                     GenInst wanteds' rhs 
1952                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1953                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1954                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1955                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1956                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1957                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1958                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1959                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1960                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1961                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1962                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1963     } }
1964   where
1965         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1966         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1967         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1968     try_simple do_this_otherwise
1969       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1970            ; case res of
1971                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1972                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1973 \end{code}
1974
1975
1976 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1977 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1978 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1979 and want to deduce (d2:C [a]) where
1980
1981         class Ord a => C a where
1982         instance Ord [a] => C [a] where ...
1983
1984 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1985 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1986 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1987 build a loop! 
1988
1989 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1990         class Monad m => C1 m
1991         class C1 m => C2 m x
1992         instance C2 Maybe Bool
1993 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1994 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1995 before we search for C1 Maybe.
1996
1997 Here's another example 
1998         class Eq b => Foo a b
1999         instance Eq a => Foo [a] a
2000 If we are reducing
2001         (Foo [t] t)
2002
2003 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2004 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2005
2006 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2007 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2008 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2009 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2010 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2011 first time, but reducible next time.
2012
2013 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2014 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2015
2016
2017 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2018 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2019 Consider 
2020     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2021     
2022     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2023         ZeroD     == ZeroD     = True
2024         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2025         _         == _         = False;
2026     
2027     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2028     equalDC = (==);
2029
2030 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2031
2032         d1 : Eq (D [])
2033
2034 by instance decl, holds if
2035         d2 : Eq [D []]
2036         where   d1 = dfEqD d2
2037
2038 by instance decl of Eq, holds if
2039         d3 : D []
2040         where   d2 = dfEqList d3
2041                 d1 = dfEqD d2
2042
2043 But now we can "tie the knot" to give
2044
2045         d3 = d1
2046         d2 = dfEqList d3
2047         d1 = dfEqD d2
2048
2049 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2050 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2051 contributing clauses.
2052         
2053
2054 %************************************************************************
2055 %*                                                                      *
2056                 Reducing a single constraint
2057 %*                                                                      *
2058 %************************************************************************
2059
2060 \begin{code}
2061 ---------------------------------------------
2062 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2063 reduceInst env avails (ImplicInst { tci_name = name,
2064                                     tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft, tci_loc = loc,
2065                                     tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2066   = reduceImplication env avails name reft tvs extra_givens wanteds loc
2067
2068 reduceInst env avails other_inst
2069   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2070         ; return (avails, result) }
2071 \end{code}
2072
2073 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2074 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2075
2076 An implication constraint is of the form 
2077         Given => Wanted 
2078 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2079 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2080 is distinct:
2081
2082 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2083    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2084    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2085    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2086
2087 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2088    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2089    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2090    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2091    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2092    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2093
2094 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2095 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2096 which are types.
2097
2098 \begin{code}
2099 ---------------------------------------------
2100 reduceImplication :: RedEnv
2101                  -> Avails
2102                  -> Name
2103                  -> Refinement  -- May refine the givens; often empty
2104                  -> [TcTyVar]   -- Quantified type variables; all skolems
2105                  -> [Inst]      -- Extra givens; all rigid
2106                  -> [Inst]      -- Wanted
2107                  -> InstLoc
2108                  -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2109 \end{code}
2110
2111 Suppose we are simplifying the constraint
2112         forall bs. extras => wanted
2113 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
2114 and refinment 'reft'.
2115
2116 Note that
2117   * The refinement is often empty
2118
2119   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
2120         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2121                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2122
2123     This happens when you have something like
2124         data T a where
2125           T1 :: Eq a => a -> T a
2126
2127         f :: T a -> Int
2128         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2129
2130 \begin{code}
2131         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2132         --
2133         -- Note on coercion variables:
2134         --
2135         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2136         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2137         --              the solved equational constraints use these binders
2138         --
2139         --      -) at the solving site of the implication constraint
2140         --              the solved dictionaries use these binders               
2141         --              these binders are generated by reduceImplication
2142         --
2143 reduceImplication env orig_avails name reft tvs extra_givens wanteds inst_loc
2144   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
2145                 -- Todo fix this 
2146 --        (refined_red_givens,refined_avails)
2147 --              <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env,orig_avails)
2148 --                 else foldlM (addRefinedGiven reft) ([],orig_avails) (red_givens env)
2149 --      Commented out SLPJ Sept 07; see comment with extractLocalResults below
2150           let refined_red_givens = []
2151
2152                 -- Solve the sub-problem
2153         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
2154               env' = env { red_givens = extra_givens ++ availsInsts orig_avails
2155                          , red_reft = reft
2156                          , red_doc = sep [ptext SLIT("reduceImplication for") <+> ppr name,
2157                                           nest 2 (parens $ ptext SLIT("within") <+> red_doc env)]
2158                          , red_try_me = try_me }
2159
2160         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2161                         [ ppr orig_avails,
2162                           ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2163                           ppr reft, ppr wanteds])
2164         ; (irreds,binds,needed_givens0) <- checkLoop env' wanteds
2165         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2166                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2167                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2168                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2169
2170                 -- needed_givens0 is the free vars of the bindings
2171                 -- Remove the ones we are going to lambda-bind
2172                 -- Use the actual dictionary identity *not* equality on Insts
2173                 -- (Mind you, it should make no difference here.)
2174         ; let needed_givens = [ng | ng <- needed_givens0
2175                                    , instToVar ng `notElem` dict_ids]
2176
2177                 -- Note [Reducing implication constraints]
2178                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2179
2180         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2181                         [ppr irreds, ppr binds, ppr needed_givens])
2182
2183         ; -- extract superclass binds
2184           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2185 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2186 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2187 --  
2188
2189                 -- We always discard the extra avails we've generated;
2190                 -- but we remember if we have done any (global) improvement
2191 --      ; let ret_avails = avails
2192         ; let ret_avails = orig_avails
2193 --      ; let ret_avails = updateImprovement orig_avails avails
2194
2195         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2196         -- Then we must iterate the outer loop too!
2197
2198         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2199
2200 --      Progress is no longer measered by the number of bindings
2201         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then        -- No progress
2202                 -- If there are any irreds, we back off and return NoInstance
2203                 return (ret_avails, NoInstance)
2204           else do
2205         { (implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens irreds
2206                         -- This binding is useless if the recursive simplification
2207                         -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2208                         -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2209                         -- when inferring types.
2210
2211         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2212                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2213                 --  we need a different evidence for given
2214                 --  equations depending on whether we solve
2215                 --  dictionary constraints or equational constraints
2216
2217                 eq_tyvars = varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2218                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2219                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2220                         --              it makes no difference
2221                 co  = wrap_inline       -- Note [Always inline implication constraints]
2222                       <.> mkWpTyLams tvs
2223                       <.> mkWpTyLams eq_tyvars
2224                       <.> mkWpLams dict_ids
2225                       <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2226                 wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2227                             | otherwise     = WpInline
2228                 rhs = mkHsWrap co payload
2229                 loc = instLocSpan inst_loc
2230                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2231                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2232
2233         
2234         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2235                          ppr implic_insts,
2236                          text "->" <+> sep [ppr needed_givens, ppr rhs]])
2237         ; return (ret_avails, GenInst (implic_insts ++ needed_givens) (L loc rhs))
2238         } 
2239     }
2240 \end{code}
2241
2242 Note [Always inline implication constraints]
2243 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2244 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2245 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2246 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2247 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2248 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2249 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2250 there is no loss of sharing as a result.
2251
2252 Note [Reducing implication constraints]
2253 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2254 Suppose we are trying to simplify
2255         ( do: Ord a, 
2256           ic: (forall b. C a b => (W [a] b, D c b)) )
2257 where
2258         instance (C a b, Ord a) => W [a] b
2259 When solving the implication constraint, we'll start with
2260         Ord a -> Irred
2261 in the Avails.  Then we add (C a b -> Given) and solve. Extracting
2262 the results gives us a binding for the (W [a] b), with an Irred of 
2263 (Ord a, D c b).  Now, the (Ord a) comes from "outside" the implication,
2264 but the (D d b) is from "inside".  So we want to generate a GenInst
2265 like this
2266
2267    ic = GenInst 
2268            [ do  :: Ord a,
2269              ic' :: forall b. C a b => D c b]
2270            (/\b \(dc:C a b). (df a b dc do, ic' b dc))
2271
2272 The first arg of GenInst gives the free dictionary variables of the
2273 second argument -- the "needed givens".  And that list in turn is
2274 vital because it's used to determine what other dicts must be solved.
2275 This very list ends up in the second field of the Rhs, and drives
2276 extractResults.
2277
2278 The need for this field is why we have to return "needed givens"
2279 from extractResults, reduceContext, checkLoop, and so on.
2280
2281 NB: the "needed givens" in a GenInst or Rhs, may contain two dicts
2282 with the same type but different Ids, e.g. [d12 :: Eq a, d81 :: Eq a]
2283 That says we must generate a binding for both d12 and d81.
2284
2285 The "inside" and "outside" distinction is what's going on with 'inner' and
2286 'outer' in reduceImplication
2287
2288
2289 Note [Freeness and implications]
2290 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2291 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2292         forall {} Eq a => Foo [a]
2293 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2294 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2295
2296 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2297 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2298         forall {a}. () => Bar b
2299 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2300 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2301 must be much more careful:
2302         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2303 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2304 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2305
2306 Here is an even more exotic example
2307         class C a => D a b
2308 Now consider the constraint
2309         forall b. D Int b => C Int
2310 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2311 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2312 the constraints!
2313
2314 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2315 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2316 Suppose we are about to form the implication constraint
2317         forall tvs.  Eq a => Ord b
2318 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2319 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2320
2321 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2322 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2323 advantage of that at the moment.
2324
2325 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2326
2327
2328 %************************************************************************
2329 %*                                                                      *
2330                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2331 %*                                                                      *
2332 %************************************************************************
2333
2334
2335 \begin{code}
2336 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2337
2338 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2339                                 -- so some Irreds might now be reducible
2340                                 -- keys that are now 
2341
2342 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2343 data AvailHow
2344   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2345                         -- which are going to be lambda bound
2346
2347   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2348                         -- e.g. those "given" in a signature
2349
2350   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2351         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2352         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2353
2354 instance Outputable Avails where
2355   ppr = pprAvails
2356
2357 pprAvails (Avails imp avails)
2358   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2359          , nest 2 $ braces $ 
2360            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2361                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2362
2363 instance Outputable AvailHow where
2364     ppr = pprAvail
2365
2366 -------------------------
2367 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2368 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2369 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2370 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2371                                nest 2 (ppr rhs)]
2372
2373 -------------------------
2374 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2375 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2376
2377 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2378 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2379         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2380         --  *not* by unique.  So
2381         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2382
2383 emptyAvails :: Avails
2384 emptyAvails = Avails False emptyFM
2385
2386 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2387 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2388
2389 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2390 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2391
2392 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2393 -- Does improvement
2394 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail 
2395   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2396         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2397
2398 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2399 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2400
2401 availsImproved (Avails imp _) = imp
2402
2403 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2404 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2405 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2406 \end{code}
2407
2408 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2409 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2410 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2411 dependency analyser can sort them out later
2412
2413 \begin{code}
2414 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2415 -- Tracks which things we have evidence for
2416
2417 extractResults :: Avails
2418                -> [Inst]                -- Wanted
2419                -> (TcDictBinds,         -- Bindings
2420                    [Inst],              -- Irreducible ones
2421                    [Inst])              -- Needed givens, i.e. ones used in the bindings
2422                         -- Postcondition: needed-givens = free vars( binds ) \ irreds
2423                         --                needed-gives is subset of Givens in incoming Avails
2424                         -- Note [Reducing implication constraints]
2425
2426 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2427   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2428   where
2429     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2430         -> [Inst]       -- Irreds
2431         -> [Inst]       -- Needed givens
2432         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2433         -> [Inst]       -- Wanted
2434         -> (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2435     go binds irreds givens done [] 
2436       = (binds, irreds, givens)
2437
2438     go binds irreds givens done (w:ws)
2439       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2440       = if w_id `elem` done_ids then
2441            go binds irreds givens done ws
2442         else
2443            go (add_bind (nlHsVar done_id)) irreds givens 
2444               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2445
2446       | otherwise       -- Not yet done
2447       = case findAvailEnv avails w of
2448           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2449                      go binds irreds givens done ws
2450
2451           Just IsIrred -> go binds (w:irreds) givens done' ws
2452
2453           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) irreds givens done' (ws' ++ ws)
2454
2455           Just (Given g) -> go binds' irreds (g:givens) (addToFM done w [g_id]) ws 
2456                 where
2457                   g_id = instToId g
2458                   binds' | w_id == g_id = binds
2459                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2460       where
2461         w_id  = instToId w      
2462         done' = addToFM done w [w_id]
2463         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2464 \end{code}
2465
2466
2467 Note [No superclasses for Stop]
2468 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2469 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2470 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2471 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2472         df::Floating a
2473         dn::Num a
2474 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2475 here lest we lose sharing.
2476
2477 \begin{code}
2478 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2479 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2480   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2481   where
2482     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2483
2484 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2485 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given given)
2486         -- Always add superclasses for 'givens'
2487         --
2488         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2489         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2490         -- so the assert isn't true
2491
2492 addRefinedGiven :: Refinement -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2493 addRefinedGiven reft avails given
2494   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2495                         -- are always optional, so we can drop them
2496   , let pred = dictPred given
2497   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2498   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2499   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2500         ; let rhs = L (instSpan given) $
2501                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2502         ; addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given]) }
2503             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2504             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2505             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2506   | otherwise
2507   = return avails
2508 \end{code}
2509
2510 Note [ImplicInst rigidity]
2511 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2512 Consider
2513         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2514         
2515         ...(case x of C v -> <body>)...
2516
2517 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2518         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2519 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2520 of form
2521         forall c. <reft> => <payload>
2522 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2523 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2524 be wobbly. Hence the isRigidInst
2525
2526 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2527 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2528 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2529 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2530
2531 \begin{code}
2532 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2533 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2534                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2535
2536 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2537 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2538   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2539   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2540   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2541                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2542                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2543   where
2544     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2545                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2546     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2547     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2548
2549     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2550     -- Find all the Insts that this one depends on
2551     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2552     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2553     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2554     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2555     findAllDeps so_far other        = so_far
2556
2557     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2558     find_all so_far kid
2559       | isEqInst kid                       = so_far
2560       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2561       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2562       | otherwise                          = so_far'
2563       where
2564         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2565         kid_id = instToId kid
2566
2567 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2568         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2569         -- The first param says "don't do this because the original thing
2570         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2571         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2572
2573 addSCs is_loop avails dict
2574   = ASSERT( isDict dict )
2575     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2576         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2577   where
2578     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2579     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2580     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2581                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2582
2583     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2584       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2585       | is_given sc_dict           = return avails
2586       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2587                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2588       where
2589         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2590         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2591
2592     is_given :: Inst -> Bool
2593     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2594                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2595                           other          -> False       
2596
2597 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2598 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2599 --
2600 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2601 ancestorEqualities
2602   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2603     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2604     . bagToList 
2605     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2606     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2607     . filter isClassDict
2608   where
2609     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2610     addAEsToBag bag []           = bag
2611     addAEsToBag bag (pred:preds)
2612       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2613       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2614       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2615       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2616       where
2617         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2618         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2619         --
2620         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2621         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2622 \end{code}
2623
2624
2625 %************************************************************************
2626 %*                                                                      *
2627 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2628 %*                                                                      *
2629 %************************************************************************
2630
2631
2632 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2633 and ambiguous Insts.
2634
2635 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2636
2637         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2638
2639 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2640 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2641
2642 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2643
2644
2645 \begin{code}
2646 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2647 tcSimplifyTop wanteds
2648   = tc_simplify_top doc False wanteds
2649   where 
2650     doc = text "tcSimplifyTop"
2651
2652 tcSimplifyInteractive wanteds
2653   = tc_simplify_top doc True wanteds
2654   where 
2655     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2656
2657 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2658 -- error message generation for the monomorphism restriction
2659 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2660   = do  { dflags <- getDOpts
2661         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2662         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2663
2664         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2665         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2666 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2667         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2668         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2669         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2670
2671                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2672                 -- NB: irreds2 are already zonked
2673         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2674
2675                 -- Deal with implicit parameters
2676         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2677               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2678
2679         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2680                                 --                  f x = x + ?y
2681         ; addNoInstanceErrs others
2682         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2683
2684         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2685   where
2686     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2687     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2688     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2689 \end{code}
2690
2691 If a dictionary constrains a type variable which is
2692         * not mentioned in the environment
2693         * and not mentioned in the type of the expression
2694 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2695 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2696 parameter to a function.
2697
2698 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2699 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2700 Specifically, if
2701         * at least one of its classes is a numeric class, and
2702         * all of its classes are numeric or standard
2703 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2704 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2705
2706 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2707 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2708 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2709 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2710
2711 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2712 the same type variable.
2713
2714 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2715 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2716 the most common use of defaulting is code like:
2717 \begin{verbatim}
2718         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2719 \end{verbatim}
2720 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2721 @void@.
2722
2723 \begin{code}
2724 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2725         -- Just does unification to fix the default types
2726         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2727 disambiguate doc interactive dflags insts
2728   | null insts
2729   = return (insts, emptyBag)
2730
2731   | null defaultable_groups
2732   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2733         ; return (insts, emptyBag) }
2734
2735   | otherwise
2736   = do  {       -- Figure out what default types to use
2737           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2738
2739         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2740         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2741
2742         -- disambigGroup does unification, hence try again
2743         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2744
2745   where
2746    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2747    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2748
2749    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2750    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2751    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2752    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2753
2754         -- Finds unary type-class constraints
2755    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2756         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2757    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2758
2759                 -- Group by type variable
2760    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2761    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2762    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2763
2764    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2765    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2766         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2767         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2768         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2769    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2770
2771    defaultable_classes clss 
2772         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2773         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2774
2775         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2776         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2777    isInteractiveClass cls 
2778         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2779
2780    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2781         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2782         -- when -foverloaded-strings is enabled
2783
2784    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2785         -- Similarly is_std_class
2786
2787 -----------------------
2788 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2789               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2790               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2791
2792 disambigGroup default_tys dicts
2793   = try_default default_tys
2794   where
2795     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2796     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2797
2798     try_default [] = return ()
2799     try_default (default_ty : default_tys)
2800       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2801         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2802                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2803                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2804                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2805                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2806                 -- default list is Int.
2807
2808                 -- After this we can't fail
2809            ; warnDefault dicts default_ty
2810            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2811            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2812            }
2813
2814
2815 -----------------------
2816 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2817 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2818   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2819         ; case mb_defaults of {
2820            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2821            Nothing  -> do
2822
2823         -- No use-supplied default
2824         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2825         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2826         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2827         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2828         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2829                         -- Note [Default unitTy]
2830                         ++
2831                   [integer_ty,doubleTy]
2832                         ++
2833                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2834   where
2835     opt_deflt True  ty = [ty]
2836     opt_deflt False ty = []
2837 \end{code}
2838
2839 Note [Default unitTy]
2840 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2841 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2842 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2843 Consider: 
2844         Text.Printf.printf "hello"
2845 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2846 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2847 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2848 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2849 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2850
2851 Note [Avoiding spurious errors]
2852 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2853 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2854 type variables, and simply don't default them.  For example:
2855    f = (*)      -- Monomorphic
2856    g :: Num a => a -> a
2857    g x = f x x
2858 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2859 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2860 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2861 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2862 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2863
2864
2865 %************************************************************************
2866 %*                                                                      *
2867 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2868 %*                                                                      *
2869 %************************************************************************
2870
2871 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2872
2873 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2874 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2875 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2876
2877 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2878 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2879 instance declarations.
2880
2881 \begin{code}
2882 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2883                 -> [TyVar]      
2884                 -> ThetaType            -- Wanted
2885                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2886 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2887 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2888
2889 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2890   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2891         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2892         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2893         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2894         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2895         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2896
2897         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2898         ; addNoInstanceErrs others
2899         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2900
2901         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2902               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2903                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2904                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2905
2906         ; return simpl_theta }
2907   where
2908     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2909
2910     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2911             | otherwise   = False
2912 \end{code}
2913
2914
2915 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2916 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2917 whether it worked or not.
2918
2919 \begin{code}
2920 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2921                   -> TcM ()
2922
2923 tcSimplifyDefault theta
2924   = newDictBndrsO DefaultOrigin theta   `thenM` \ wanteds ->
2925     tryHardCheckLoop doc wanteds        `thenM` \ (irreds, _) ->
2926     addNoInstanceErrs  irreds           `thenM_`
2927     if null irreds then
2928         returnM ()
2929     else
2930         traceTc (ptext SLIT("tcSimplifyDefault failing")) >> failM
2931   where
2932     doc = ptext SLIT("default declaration")
2933 \end{code}
2934
2935
2936 %************************************************************************
2937 %*                                                                      *
2938 \section{Errors and contexts}
2939 %*                                                                      *
2940 %************************************************************************
2941
2942 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2943 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2944 now?
2945
2946 \begin{code}
2947 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2948           -> [Inst]             -- The offending Insts
2949           -> TcM ()
2950 -- Group together insts with the same origin
2951 -- We want to report them together in error messages
2952
2953 groupErrs report_err [] 
2954   = return ()
2955 groupErrs report_err (inst:insts) 
2956   = do  { do_one (inst:friends)
2957         ; groupErrs report_err others }
2958   where
2959         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2960         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2961         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2962    (friends, others) = partition is_friend insts
2963    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2964    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2965    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2966                 -- Add location and context information derived from the Insts
2967
2968 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2969 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2970 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2971
2972 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2973 addTopIPErrs bndrs [] 
2974   = return ()
2975 addTopIPErrs bndrs ips
2976   = do  { dflags <- getDOpts
2977         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2978   where
2979     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2980     mk_msg dflags ips 
2981         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2982                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2983                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2984                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2985                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2986                 monomorphism_fix dflags]
2987     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2988
2989 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2990 topIPErrs dicts
2991   = groupErrs report tidy_dicts
2992   where
2993     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2994     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2995     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2996                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2997
2998 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2999                   -> TcM ()     
3000 addNoInstanceErrs insts
3001   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3002         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3003
3004 reportNoInstances 
3005         :: TidyEnv
3006         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3007                         -- Nothing => top level
3008                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3009                         --               with givens g
3010         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3011         -> TcM ()       
3012
3013 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3014   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3015
3016 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3017   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3018        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3019              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3020              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3021        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3022                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3023        ; mapM_ complain_implic implics
3024        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3025        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3026        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3027        }
3028   where
3029     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3030
3031     complain_implic inst        -- Recurse!
3032       = reportNoInstances tidy_env 
3033                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3034                           (tci_wanted inst)
3035
3036     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3037         -- Right msg  => overlap message
3038         -- Left  inst => no instance
3039     check_overlap inst_envs wanted
3040         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3041         | otherwise
3042         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3043                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3044                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3045                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3046 #ifdef DEBUG
3047                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3048 #endif
3049                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
3050                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3051           where
3052             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3053
3054     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3055       = ASSERT( not (null matches) )
3056         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
3057                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3058                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
3059                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3060                 if not (isSingleton matches)
3061                 then    -- Two or more matches
3062                      empty
3063                 else    -- One match, plus some unifiers
3064                 ASSERT( not (null unifiers) )
3065                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
3066                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3067                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
3068                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
3069       where
3070         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3071
3072     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3073     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3074
3075     mk_no_inst_err insts
3076       | null insts = empty
3077
3078       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3079         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3080       = vcat [ addInstLoc insts $
3081                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3082                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3083              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3084
3085       | otherwise       -- Top level 
3086       = vcat [ addInstLoc insts $
3087                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
3088                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
3089              , show_fixes fixes2 ]
3090
3091       where
3092         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
3093                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
3094                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3095                          -- I'm not sure it helps to add the location
3096                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3097
3098         fixes2 | null instance_dicts = []
3099                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
3100                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3101         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3102                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3103                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3104
3105         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3106         show_fixes []     = empty
3107         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
3108                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
3109
3110 addTopAmbigErrs dicts
3111 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3112   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3113                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3114     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3115   where
3116     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3117
3118     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3119     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3120     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3121     
3122     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3123     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3124         = mkMonomorphismMsg tidy_env tvs        `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
3125           setSrcSpan (instSpan inst) $
3126                 -- the location of the first one will do for the err message
3127           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3128         where
3129           dicts = map fst pairs
3130           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3131                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3132                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3133           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3134     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3135
3136
3137 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3138 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3139 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3140 -- Try to identify the offending variable
3141 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3142 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3143   = do  { dflags <- getDOpts
3144         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3145         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3146   where
3147     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3148         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3149                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3150                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3151     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3152                         -- This happens in things like
3153                         --      f x = show (read "foo")
3154                         -- where monomorphism doesn't play any role
3155     mk_msg dflags docs 
3156         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3157                 nest 2 (vcat docs),
3158                 monomorphism_fix dflags]
3159
3160 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3161 monomorphism_fix dflags
3162   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3163         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3164          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3165            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3166            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3167                         -- if it is not already set!
3168     
3169 warnDefault ups default_ty
3170   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
3171     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3172   where
3173     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3174
3175         -- Tidy them first
3176     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3177     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3178                                 quotes (ppr default_ty),
3179                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3180
3181 reduceDepthErr n stack
3182   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3183           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3184           nest 4 (pprStack stack)]
3185
3186 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3187 \end{code}