9d89125dd48dab4b5f7f0bb66d3ea52b83f12e63
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 module TcSimplify (
10         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
11         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
12         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
13         tcSimplifySuperClasses,
14         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
15         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
16
17         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
18         bindInstsOfLocalFuns, 
19
20         misMatchMsg
21     ) where
22
23 #include "HsVersions.h"
24
25 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
26 import HsSyn
27
28 import TcRnMonad
29 import TcHsSyn  ( hsLPatType )
30 import Inst
31 import TcEnv
32 import InstEnv
33 import TcType
34 import TcMType
35 import TcIface
36 import TcTyFuns
37 import DsUtils  -- Big-tuple functions
38 import Var
39 import Id
40 import Name
41 import NameSet
42 import Class
43 import FunDeps
44 import PrelInfo
45 import PrelNames
46 import Type
47 import TysWiredIn
48 import ErrUtils
49 import BasicTypes
50 import VarSet
51 import VarEnv
52 import FiniteMap
53 import Bag
54 import Outputable
55 import Maybes
56 import ListSetOps
57 import Util
58 import SrcLoc
59 import DynFlags
60 import FastString
61 import Control.Monad
62 import Data.List
63 \end{code}
64
65
66 %************************************************************************
67 %*                                                                      *
68 \subsection{NOTES}
69 %*                                                                      *
70 %************************************************************************
71
72         --------------------------------------
73         Notes on functional dependencies (a bug)
74         --------------------------------------
75
76 Consider this:
77
78         class C a b | a -> b
79         class D a b | a -> b
80
81         instance D a b => C a b -- Undecidable 
82                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
83         f :: C a b => a -> Bool
84         f _ = True
85         
86         g :: C a b => a -> Bool
87         g = f
88
89 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
90 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
91
92 Here is a more complicated example:
93
94 @
95   > class Foo a b | a->b
96   >
97   > class Bar a b | a->b
98   >
99   > data Obj = Obj
100   >
101   > instance Bar Obj Obj
102   >
103   > instance (Bar a b) => Foo a b
104   >
105   > foo:: (Foo a b) => a -> String
106   > foo _ = "works"
107   >
108   > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
109   > runFoo f = f Obj
110
111   *Test> runFoo foo
112
113   <interactive>:1:
114       Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
115         arising from use of `foo' at <interactive>:1
116       Probable fix:
117           Add (Bar a b) to the expected type of an expression
118       In the first argument of `runFoo', namely `foo'
119       In the definition of `it': it = runFoo foo
120
121   Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
122   function foo didn't ask for that...
123 @
124
125 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
126
127         Given constraint        Foo a b
128         Solve constraint        Foo a b'
129
130 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
131 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
132         simplify constraints
133         apply improvement
134         and loop
135
136 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
137 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
138 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
139 from.
140
141 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
142 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
143
144 Note [Choosing which variables to quantify]
145 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
146 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
147
148         G       the environment
149         T       the type of the RHS
150         C       the constraints from that RHS
151
152 The game is to figure out
153
154         Q       the set of type variables over which to quantify
155         Ct      the constraints we will *not* quantify over
156         Cq      the constraints we will quantify over
157
158 So we're going to infer the type
159
160         forall Q. Cq => T
161
162 and float the constraints Ct further outwards.
163
164 Here are the things that *must* be true:
165
166  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
167  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
168
169  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
170  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
171      we won't get a sufficiently general type.  
172
173 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
174 free vars of the environment G.
175
176         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
177
178 Example:        class H x y | x->y where ...
179
180         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
181                         T = c -> b
182
183         (A)  Q intersect {a} is empty
184         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
185
186         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
187
188 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
189 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
190 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
191 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
192
193 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
194 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
195 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
196 choose Q:
197
198         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
199
200 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
201 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
202 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
203 albeit perhaps too many.
204
205 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
206
207         class H x y | x->y where ...
208
209         T = c->c
210         C = (H c d)
211
212   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
213
214         forall c. H c d => c -> b
215
216   And then if the fn was called at several different c's, each of
217   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
218   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
219   everything that might be influenced by c.
220
221 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
222 all the functional dependencies yet:
223
224         class H x y | x->y where ...
225         instance H x y => Eq (T x y) where ...
226
227         T = c->c
228         C = (Eq (T c d))
229
230 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
231 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
232
233 There really isn't any point in quantifying over any more than
234 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
235 any other type variables.
236
237
238
239 -------------------------------------
240         Note [Ambiguity]
241 -------------------------------------
242
243 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
244
245         class K x
246         class H x y | x -> y
247         instance H x y => K (x,y)
248
249 Is this type ambiguous?
250         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
251
252 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
253 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
254 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
255 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
256
257 Here's another example: is this ambiguous?
258         forall a b. Eq (T b) => a -> a
259 Not if there's an insance decl (with no context)
260         instance Eq (T b) where ...
261
262 You may say of this example that we should use the instance decl right
263 away, but you can't always do that:
264
265         class J a b where ...
266         instance J Int b where ...
267
268         f :: forall a b. J a b => a -> a
269
270 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
271 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
272 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
273 when inferring a type for f.
274
275
276
277 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
278 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
279 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
280
281 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
282
283         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
284
285 (all tested before quantification).
286 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
287 in the environment, or by the variables in the type.
288
289 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
290
291         class J a b c | a b -> c
292         fv(G) = {a}
293
294 Is this ambiguous?
295         forall b c. (J a b c) => b -> b
296
297 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
298 do we see that c is fixed.
299
300 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
301 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
302 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
303 only issue a warning.
304
305
306 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
307
308         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
309
310 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
311 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
312 the nasty example?
313
314         class K x
315         class H x y | x -> y
316         instance H x y => K (x,y)
317
318 Is this type ambiguous?
319         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
320
321 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
322 is a "bubble" that's a set of constraints
323
324         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
325
326 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
327 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
328 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
329 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
330 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
331
332
333         --------------------------------------
334                 Notes on principal types
335         --------------------------------------
336
337     class C a where
338       op :: a -> a
339
340     f x = let g y = op (y::Int) in True
341
342 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
343 but we'll produce the non-principal type
344     f :: forall a. C Int => a -> a
345
346
347         --------------------------------------
348         The need for forall's in constraints
349         --------------------------------------
350
351 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
352
353   class C t where op :: t -> Bool
354   instance C [t] where op x = True
355
356   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
357   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
358
359 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
360 the pair on their right-hand sides.  And yet:
361
362   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
363   Hugs rejects q, but accepts p;
364   hbc rejects both p and q;
365   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
366
367 The type signature for f forces context reduction to take place, and
368 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
369 which in turn depends on which component of the pair the type checker
370 analyzes first.  
371
372 Solution: if y::m a, float out the constraints
373         Monad m, forall c. C (m c)
374 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
375
376
377         --------------------------------------
378                 Notes on implicit parameters
379         --------------------------------------
380
381 Note [Inheriting implicit parameters]
382 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
383 Consider this:
384
385         f x = (x::Int) + ?y
386
387 where f is *not* a top-level binding.
388 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
389 There are two types we might infer for f:
390
391         f :: Int -> Int
392
393 (so we get ?y from the context of f's definition), or
394
395         f :: (?y::Int) => Int -> Int
396
397 At first you might think the first was better, becuase then
398 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
399 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
400 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
401 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
402
403 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
404 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
405
406
407 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
408 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
409 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
410 An *implicit parameter* cannot.  For example:
411         foo :: (?x :: [a]) => Int
412         foo = length ?x
413 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
414
415 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
416 propagate to the others.  E.g.
417         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
418         foo = show (?x++?x)
419 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
420 we might have
421         let ?x = 5::Int in foo
422 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
423 so we can take their type variables into account as part of the
424 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
425
426
427 Question 2: type signatures
428 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
429 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
430 to quantify over implicit parameters.  For example:
431
432         (?x + 1) :: Int
433
434 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
435
436         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
437
438 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
439 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
440 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
441 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
442
443 What about when you supply a type signature for a binding?
444 Is it legal to give the following explicit, user type 
445 signature to f, thus:
446
447         f :: Int -> Int
448         f x = (x::Int) + ?y
449
450 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
451 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
452 Consider this:
453
454         (let f x = (x::Int) + ?y
455          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
456
457                 returns (3+6, 3+5)
458 vs
459         (let f :: Int -> Int
460              f x = x + ?y
461          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
462
463                 returns (3+6, 3+6)
464
465 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
466 dynamic semantics.
467
468 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
469 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
470 change the typing you may change the semantics.
471
472 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
473 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
474 rule: 
475
476         a signature does not need to quantify over implicit params.
477
478 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
479 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
480 params for the reasons mentioned above.]
481
482 But that raises a new question.  Consider 
483
484         Given (signature)       ?x::Int
485         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
486
487 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
488 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
489 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
490 to float a constraint that
491         neither mentions any of the quantified type variables
492         nor any of the quantified implicit parameters
493
494 See the predicate isFreeWhenChecking.
495
496
497 Question 3: monomorphism
498 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
499 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
500
501         z = (x::Int) + ?y
502
503 The argument above suggests that we *must* generalise
504 over the ?y parameter, to get
505         z :: (?y::Int) => Int,
506 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
507         z :: Int.
508 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
509
510         let z = x + ?y in z+z
511
512 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
513 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
514
515
516 Question 4: top level
517 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
518 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
519
520     module Main where
521         main = let ?x = 5 in print foo
522
523         foo = woggle 3
524
525         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
526         woggle y = ?x + y
527
528 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
529 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
530
531
532 Possible choices
533 ~~~~~~~~~~~~~~~~
534 (A) Always generalise over implicit parameters
535     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
536         be generalised
537
538     Consequences:
539         * Inlining remains valid
540         * No unexpected loss of sharing
541         * But simple bindings like
542                 z = ?y + 1
543           will be rejected, unless you add an explicit type signature
544           (to avoid the monomorphism restriction)
545                 z :: (?y::Int) => Int
546                 z = ?y + 1
547           This seems unacceptable
548
549 (B) Monomorphism restriction "wins"
550     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
551         be generalised
552     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
553         that fall under the monomorphism restriction
554
555     Consequences
556         * Inlining isn't valid in general
557         * No unexpected loss of sharing
558         * Simple bindings like
559                 z = ?y + 1
560           accepted (get value of ?y from binding site)
561
562 (C) Always generalise over implicit parameters
563     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
564         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
565     Consequences
566         * Inlining remains valid
567         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
568         * Simple bindings like
569                 z = ?y + 1
570           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
571
572
573 Discussion
574 ~~~~~~~~~~
575 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
576 decide which we want to do.
577
578 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
579
580         z = (x::Int) + ?y
581
582 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
583 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
584 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
585 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
586 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
587 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
588
589 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
590 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
591 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
592 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
593 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
594 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
595 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
596 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
597 restriction altogether.
598
599 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
600
601
602
603 %************************************************************************
604 %*                                                                      *
605 \subsection{tcSimplifyInfer}
606 %*                                                                      *
607 %************************************************************************
608
609 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
610
611     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
612
613     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
614        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
615
616     3. Try improvement, using functional dependencies
617
618     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
619        (Unification can change the result of 'grow'.)
620
621 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
622 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
623 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
624 type variables than we absolutely have to.
625
626 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
627 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
628
629         class C x y | x->y where ...
630
631 and tcSimplify is called with:
632         (C Int a, C Int b)
633 Then improvement unifies a with b, giving
634         (C Int a, C Int a)
635
636 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
637 again.
638
639
640 \begin{code}
641 tcSimplifyInfer
642         :: SDoc
643         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
644         -> [Inst]               -- Wanted
645         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
646                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
647                 TcDictBinds)    -- Bindings
648         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
649 \end{code}
650
651
652 \begin{code}
653 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
654   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
655         ; wanted'  <- mapM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
656         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
657         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
658               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
659               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
660                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
661
662                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
663                 -- constraints that don't mention qtvs at all
664         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
665         ; extendLIEs free
666
667                 -- To make types simple, reduce as much as possible
668         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
669                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
670         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
671
672                 -- Note [Inference and implication constraints]
673         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
674         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
675
676                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
677                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
678                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
679                 --    quantify over any variable free in the environment
680                 --    tc137 (function h inside g) is an example
681                 --
682                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
683                 --    mention quantified type variables, because they are
684                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
685                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
686                 --      g x = fst (f x)
687                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
688                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
689                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
690                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
691                 --    See test tcfail181
692                 --
693                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
694                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
695                 --          wanteds = Foo [a]
696                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
697                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
698         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
699         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
700                 -- Note that we start from gbl_tvs1
701                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
702                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
703                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
704                 --              gbl_tvs = {a}
705                 --              tau_tvs = {b}
706                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
707                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
708         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
709               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
710         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
711         ; extendLIEs free
712
713                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
714         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
715
716                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
717                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
718         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
719         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
720         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
721
722                 -- Prepare equality instances for quantification
723         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
724         ; q_eqs <- mapM finalizeEqInst q_eqs0
725
726         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
727         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
728         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
729
730 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
731 -- Note [Inference and implication constraints]
732 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
733 --      - fetching any dicts inside them that are free
734 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
735 --      - returning the extra ones too
736
737 approximateImplications doc want_dict irreds
738   | null extra_dicts 
739   = return (irreds, emptyBag)
740   | otherwise
741   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
742         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
743                 -- By adding extra_dicts', we make them 
744                 -- available to solve the implication constraints
745   where 
746     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
747
748     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
749         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
750         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
751     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
752
753     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
754                          | otherwise   = []
755     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
756         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
757               , d <- get_dicts wanteds 
758               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
759     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
760                            | otherwise   = [] 
761     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
762 \end{code}
763
764 Note [Inference and implication constraints]
765 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
766 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
767 a nested pattern match) like
768         C a => D [a]
769 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
770 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
771         instance (C a, E a) => D [a]
772 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
773 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
774 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
775 with 'given' implications.
776
777 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
778 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
779 the strange function get_dicts in approximateImplications.
780
781 The common cases are more clear-cut, when we have things like
782         forall a. C a => C b
783 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
784 Note [Freeness and implications].
785  
786 See Trac #1430 and test tc228.
787
788
789 \begin{code}
790 -----------------------------------------------------------
791 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
792 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
793 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
794 tcSimplifyInferCheck
795          :: InstLoc
796          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
797          -> [Inst]              -- Given
798          -> [Inst]              -- Wanted
799          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
800                  TcDictBinds)   -- Bindings
801
802 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
803   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
804         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
805
806         -- Figure out which type variables to quantify over
807         -- You might think it should just be the signature tyvars,
808         -- but in bizarre cases you can get extra ones
809         --      f :: forall a. Num a => a -> a
810         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
811         --      g a b = (b,a)
812         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
813         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
814         -- f isn't quantified over b.
815         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
816         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
817         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
818         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
819                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
820                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
821                 -- dictionaries, we quantify over
822
823         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
824
825                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
826         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
827
828         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
829         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
830 \end{code}
831
832 Note [Squashing methods]
833 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
834 Be careful if you want to float methods more:
835         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
836 From an application (truncate f i) we get
837         t1 = truncate at f
838         t2 = t1 at i
839 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
840         t3 = truncate at f
841         t4 = t3 at i
842 When simplifying with i,f free, we might still notice that
843 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
844 may continue to float out!
845
846
847 Note [NO TYVARS]
848 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
849         class Y a b | a -> b where
850             y :: a -> X b
851         
852         instance Y [[a]] a where
853             y ((x:_):_) = X x
854         
855         k :: X a -> X a -> X a
856
857         g :: Num a => [X a] -> [X a]
858         g xs = h xs
859             where
860             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
861
862 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
863 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
864 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
865 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
866 polymorphic in.  
867
868 The net effect of [NO TYVARS] 
869
870 \begin{code}
871 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
872 isFreeWhenInferring qtvs inst
873   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
874   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
875                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
876
877 {-      No longer used (with implication constraints)
878 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
879                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
880                    -> Inst -> Bool
881 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
882   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
883   && isFreeWrtIPs    ips inst
884 -}
885
886 isFreeWrtTyVars :: VarSet -> Inst -> Bool
887 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
888 isFreeWrtIPs :: NameSet -> Inst -> Bool
889 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
890 \end{code}
891
892
893 %************************************************************************
894 %*                                                                      *
895 \subsection{tcSimplifyCheck}
896 %*                                                                      *
897 %************************************************************************
898
899 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
900 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
901
902 \begin{code}
903 -----------------------------------------------------------
904 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
905 -- class decls, instance decls etc.
906 tcSimplifyCheck :: InstLoc
907                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
908                 -> [Inst]               -- Given
909                 -> [Inst]               -- Wanted
910                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
911 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
912   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
913     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
914         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
915         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
916         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
917
918 -----------------------------------------------------------
919 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
920 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
921                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
922                    -> [Inst]            -- Given
923                    -> [Inst]            -- Wanted
924                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
925 tcSimplifyCheckPat loc qtvs givens wanteds
926   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
927     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
928         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
929         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs givens irreds
930         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
931
932 -----------------------------------------------------------
933 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
934            -> [Inst] -> [Inst]
935            -> TcM TcDictBinds
936 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
937   = bindIrredsR loc qtvs givens irreds
938
939 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [Inst] -> [Inst] -> TcM TcDictBinds      
940 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
941 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
942 bindIrredsR loc qtvs givens irreds
943   | null irreds
944   = return emptyBag
945   | otherwise
946   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
947                 -- The givens can (redundantly) include methods
948                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
949                 -- There should be no implicadtion constraints
950                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
951
952            -- If there are no 'givens', then it's safe to 
953            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
954            -- See Note [Freeness and implications]
955         ; irreds' <- if null givens'
956                      then do
957                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
958                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
959                         ; extendLIEs frees
960                         ; return real_irreds }
961                      else return irreds
962         
963         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc qtvs givens' irreds'
964                         -- This call does the real work
965                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
966         ; extendLIEs implics
967         ; return bind } 
968
969
970 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar]
971                     -> [Inst] -> [Inst]
972                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
973 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
974 -- constraint for them.
975 --
976 -- The binding looks like
977 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
978 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
979 --      f :: forall qtvs. givens => (ir1, .., irn)
980 -- qtvs includes coercion variables.
981 --
982 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
983 makeImplicationBind loc all_tvs
984                     givens      -- Guaranteed all Dicts or EqInsts
985                     irreds
986  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
987  = return ([], emptyBag)
988  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
989  = do   { uniq <- newUnique 
990         ; span <- getSrcSpanM
991         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
992
993                 -- extract equality binders
994               eq_cotvs = map eqInstType eq_givens
995
996                 -- make the implication constraint instance
997               name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
998               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
999                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1000                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1001                                                        -- same order as binders
1002                                          tci_wanted = irreds, 
1003                                          tci_loc = loc }
1004
1005                 -- create binders for the irreducible dictionaries
1006               dict_irreds    = filter (not . isEqInst) irreds
1007               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1008               lpat = mkBigLHsPatTup (map (L span . VarPat) dict_irred_ids)
1009
1010                 -- create the binding
1011               rhs  = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1012               co   =     mkWpApps (map instToId dict_givens)
1013                      <.> mkWpTyApps eq_cotvs
1014                      <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1015               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  
1016                    = VarBind dict_irred_id rhs
1017                    | otherwise        
1018                    = PatBind { pat_lhs = lpat
1019                              , pat_rhs = unguardedGRHSs rhs 
1020                              , pat_rhs_ty = hsLPatType lpat
1021                              , bind_fvs = placeHolderNames 
1022                              }
1023
1024         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1025         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1026         }
1027
1028 -----------------------------------------------------------
1029 tryHardCheckLoop :: SDoc
1030              -> [Inst]                  -- Wanted
1031              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1032
1033 tryHardCheckLoop doc wanteds
1034   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkInferRedEnv doc try_me) wanteds
1035        ; return (irreds,binds)
1036        }
1037   where
1038     try_me _ = ReduceMe
1039         -- Here's the try-hard bit
1040
1041 -----------------------------------------------------------
1042 gentleCheckLoop :: InstLoc
1043                -> [Inst]                -- Given
1044                -> [Inst]                -- Wanted
1045                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1046
1047 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1048   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1049        ; return (irreds,binds)
1050        }
1051   where
1052     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1053
1054     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1055                 | otherwise          = Stop
1056         -- When checking against a given signature 
1057         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1058
1059 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1060                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1061 gentleInferLoop doc wanteds
1062   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1063         ; return (irreds, binds) }
1064   where
1065     env = mkInferRedEnv doc try_me
1066     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1067                 | otherwise          = Stop
1068 \end{code}
1069
1070 Note [Check gently]
1071 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1072 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1073 Example:  
1074   data T a where
1075     MkT :: a -> T [a]
1076
1077   f :: Show b => T b -> b
1078   f (MkT x) = show [x]
1079
1080 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1081         b ~ [a]
1082 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1083 need it.  We are going to build an implication contraint
1084         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1085 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1086         
1087 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1088 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1089 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1090 work until top level, when we solve the implication constraint
1091 with tryHardCheckLooop.
1092
1093
1094 \begin{code}
1095 -----------------------------------------------------------
1096 checkLoop :: RedEnv
1097           -> [Inst]                     -- Wanted
1098           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1099 -- Precondition: givens are completely rigid
1100 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1101
1102 checkLoop env wanteds
1103   = go env wanteds
1104   where go env wanteds
1105           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1106                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1107                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1108         
1109                 ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env' wanteds'
1110
1111                 ; if null irreds || not improved then
1112                     return (irreds, binds)
1113                   else do
1114         
1115                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1116                 -- We start again with irreds, not wanteds
1117                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1118                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1119                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1120                 -- See Note [LOOP]
1121                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds
1122                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1123 \end{code}
1124
1125 Note [Zonking RedEnv]
1126 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1127 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1128 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1129 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1130 testsuite is
1131
1132   class Modular s a | s -> a
1133
1134   wim ::  forall a w. Integral a 
1135                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1136   wim i k = error "urk"
1137
1138   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1139   test5  =   error "urk"
1140
1141   test4   =   wim 4 test4'
1142
1143 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1144 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1145 whether the signature of test5 is an instance of 
1146
1147   (forall s. Modular s a => M s w)
1148
1149 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1150 givens. 
1151
1152 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1153 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1154 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1155 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1156 Unify.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1157
1158
1159 Note [LOOP]
1160 ~~~~~~~~~~~
1161         class If b t e r | b t e -> r
1162         instance If T t e t
1163         instance If F t e e
1164         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1165         instance Lte Z b T
1166         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1167
1168 Wanted: Max Z (S x) y
1169
1170 Then we'll reduce using the Max instance to:
1171         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1172 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1173 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1174 with (Max Z (S x) y)!
1175
1176
1177
1178 %************************************************************************
1179 %*                                                                      *
1180                 tcSimplifySuperClasses
1181 %*                                                                      *
1182 %************************************************************************
1183
1184 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1185 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1186 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1187 accidentally build a loop. Here's an example:
1188
1189   class S a
1190
1191   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1192   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1193   
1194   instance C Int where
1195      opc = opd
1196   
1197   instance D Int where
1198      opd = opc
1199
1200 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1201 Simplifying, we may well get:
1202         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1203         dd  = $dfDInt
1204         ds1 = $p1 dd
1205 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1206
1207 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1208
1209         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1210         dc  = $dfCInt
1211         ds2 = $p1 dc
1212
1213 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1214 Two more nasty cases are in
1215         tcrun021
1216         tcrun033
1217
1218 Solution: 
1219   - Satisfy the superclass context *all by itself* 
1220     (tcSimplifySuperClasses)
1221   - And do so completely; i.e. no left-over constraints
1222     to mix with the constraints arising from method declarations
1223
1224
1225 Note [Recursive instances and superclases]
1226 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1227 Consider this code, which arises in the context of "Scrap Your 
1228 Boilerplate with Class".  
1229
1230     class Sat a
1231     class Data ctx a
1232     instance  Sat (ctx Char)             => Data ctx Char
1233     instance (Sat (ctx [a]), Data ctx a) => Data ctx [a]
1234
1235     class Data Maybe a => Foo a
1236
1237     instance Foo t => Sat (Maybe t)
1238
1239     instance Data Maybe a => Foo a
1240     instance Foo a        => Foo [a]
1241     instance                 Foo [Char]
1242
1243 In the instance for Foo [a], when generating evidence for the superclasses
1244 (ie in tcSimplifySuperClasses) we need a superclass (Data Maybe [a]).
1245 Using the instance for Data, we therefore need
1246         (Sat (Maybe [a], Data Maybe a)
1247 But we are given (Foo a), and hence its superclass (Data Maybe a).
1248 So that leaves (Sat (Maybe [a])).  Using the instance for Sat means
1249 we need (Foo [a]).  And that is the very dictionary we are bulding
1250 an instance for!  So we must put that in the "givens".  So in this
1251 case we have
1252         Given:  Foo a, Foo [a]
1253         Watend: Data Maybe [a]
1254
1255 BUT we must *not not not* put the *superclasses* of (Foo [a]) in
1256 the givens, which is what 'addGiven' would normally do. Why? Because
1257 (Data Maybe [a]) is the superclass, so we'd "satisfy" the wanted 
1258 by selecting a superclass from Foo [a], which simply makes a loop.
1259
1260 On the other hand we *must* put the superclasses of (Foo a) in
1261 the givens, as you can see from the derivation described above.
1262
1263 Conclusion: in the very special case of tcSimplifySuperClasses
1264 we have one 'given' (namely the "this" dictionary) whose superclasses
1265 must not be added to 'givens' by addGiven.  That is the *whole* reason
1266 for the red_given_scs field in RedEnv, and the function argument to
1267 addGiven.
1268
1269 \begin{code}
1270 tcSimplifySuperClasses
1271         :: InstLoc 
1272         -> Inst         -- The dict whose superclasses 
1273                         -- are being figured out
1274         -> [Inst]       -- Given 
1275         -> [Inst]       -- Wanted
1276         -> TcM TcDictBinds
1277 tcSimplifySuperClasses loc this givens sc_wanteds
1278   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1279         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1280         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1281         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1282         ; return binds1 }
1283   where
1284     env =  RedEnv { red_doc = pprInstLoc loc, 
1285                     red_try_me = try_me,
1286                     red_givens = this:givens, 
1287                     red_given_scs = add_scs,
1288                     red_stack = (0,[]),
1289                     red_improve = False }  -- No unification vars
1290     add_scs g | g==this   = NoSCs
1291               | otherwise = AddSCs
1292
1293     try_me _ = ReduceMe  -- Try hard, so we completely solve the superclass 
1294                          -- constraints right here. See Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1295 \end{code}
1296
1297
1298 %************************************************************************
1299 %*                                                                      *
1300 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1301 %*                                                                      *
1302 %************************************************************************
1303
1304 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1305 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1306
1307 Eg1:    id = \x -> x
1308         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1309         
1310 Eg2:    eq = (==)
1311         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1312         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1313
1314 So, assume:
1315         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1316         RHS has constraints 'wanteds'
1317
1318 Plan A (simple)
1319   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1320   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1321   where we have         instance Monad (ST s) where...
1322   so there's no need to be monomorphic in s!
1323
1324   Also the constraint might be a method constraint,
1325   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1326           op :: Num a => a -> b -> a
1327   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1328         foo = op (3::Int)
1329   We want to infer the polymorphic type
1330         foo :: forall b. b -> b
1331
1332
1333 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1334   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1335   with Plan A's problem).  Then set
1336         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1337
1338   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1339   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1340   The reasons for this is to maximise sharing.
1341
1342   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1343   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1344   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1345   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1346   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1347   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1348   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1349
1350   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1351   the problem.
1352
1353
1354 Plan C (brutal)
1355   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1356   with Plan A's problem).  Then set
1357         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1358   Return the bindings from Step 1.
1359   
1360
1361 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1362 Consider this:
1363
1364       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1365
1366       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1367
1368       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1369       doDecodeIO codedValue view  
1370         = let { act = foo "foo" } in  act
1371
1372 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1373 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1374 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1375 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1376
1377 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1378 plan D
1379
1380
1381 Plan D (a variant of plan B)
1382   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1383   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1384         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1385
1386   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1387   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1388
1389   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1390   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1391   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1392   can always add a signature.  
1393
1394   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1395   improvement.
1396
1397
1398 \begin{code}
1399 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1400                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1401         :: SDoc
1402         -> TopLevelFlag
1403         -> [Name]               -- Things bound in this group
1404         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1405         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1406         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1407                 TcDictBinds)    -- Bindings
1408         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1409         -- quantify over; by definition there are none.
1410         -- They are all thrown back in the LIE
1411
1412 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1413         -- Zonk everything in sight
1414   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1415         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1416
1417         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1418         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1419         -- variables as possible, and we don't want to stop
1420         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1421         -- immediately, with no constraint on s.
1422         --
1423         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1424         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1425         --          a method Inst with an equality constraint
1426         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\_ -> ReduceMe)
1427         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds'
1428
1429         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1430         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1431         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1432         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1433
1434         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1435                                 -- As in tcSimplifyInfer
1436
1437                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1438                 -- this is the monomorphism restriction
1439               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1440               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1441               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1442
1443         -- Warn in the mono
1444         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1445         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1446                  (vcat[ ptext (sLit "the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1447                                 <> plural bndrs <+> ptext (sLit "for") <+> pp_bndrs,
1448                         ptext (sLit "Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1449
1450         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1451                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1452                 ppr _binds,
1453                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1454
1455         -- The first step may have squashed more methods than
1456         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1457         -- set of type variables to quantify over.
1458         --
1459         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1460         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1461         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1462         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1463         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1464         --
1465         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1466         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1467         -- just to float all constraints
1468         --
1469         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1470         -- expose implicit parameters to the test that follows
1471         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1472               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1473                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1474                           | otherwise                       = ReduceMe 
1475               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1476         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1477
1478         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1479         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1480           if is_nested_group then
1481                 extendLIEs irreds
1482           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1483                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1484                   ; extendLIEs non_ips }
1485
1486         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1487         ; return (qtvs', binds) }
1488 \end{code}
1489
1490
1491 %************************************************************************
1492 %*                                                                      *
1493                 tcSimplifyRuleLhs
1494 %*                                                                      *
1495 %************************************************************************
1496
1497 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1498 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1499 as the available stuff for the RHS of the rule.
1500
1501 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1502         
1503         f (x == y) (y > z) = ...
1504
1505 If we typecheck this expression we get constraints
1506
1507         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1508
1509 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1510
1511         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1512           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1513
1514 Instead we want 
1515
1516         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1517           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1518
1519 Here is another example:
1520
1521         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1522         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1523
1524 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1525 we *dont* want to get
1526
1527         forall dIntegralInt.
1528            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1529
1530 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1531
1532         forall dIntegralInt, dNumInt.
1533           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1534
1535 Even if we have 
1536
1537         g (x == y) (y == z) = ..
1538
1539 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1540
1541         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1542           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1543
1544 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1545 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1546
1547 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1548 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1549 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc.
1550 Simpler, maybe, but alas not simple (see Trac #2494)
1551
1552 * Type errors may give rise to an (unsatisfiable) equality constraint
1553
1554 * Applications of a higher-rank function on the LHS may give
1555   rise to an implication constraint, esp if there are unsatisfiable
1556   equality constraints inside.
1557
1558 \begin{code}
1559 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1560 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1561   = do  { wanteds' <- zonkInsts wanteds
1562         ; (irreds, binds) <- go [] emptyBag wanteds'
1563         ; let (dicts, bad_irreds) = partition isDict irreds
1564         ; traceTc (text "tcSimplifyrulelhs" <+> pprInsts bad_irreds)
1565         ; addNoInstanceErrs (nub bad_irreds)
1566                 -- The nub removes duplicates, which has
1567                 -- not happened otherwise (see notes above)
1568         ; return (dicts, binds) }
1569   where
1570     go :: [Inst] -> TcDictBinds -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1571     go irreds binds []
1572         = return (irreds, binds)
1573     go irreds binds (w:ws)
1574         | isDict w
1575         = go (w:irreds) binds ws
1576         | isImplicInst w        -- Have a go at reducing the implication
1577         = do { (binds1, irreds1) <- reduceImplication red_env w
1578              ; let (bad_irreds, ok_irreds) = partition isImplicInst irreds1
1579              ; go (bad_irreds ++ irreds) 
1580                   (binds `unionBags` binds1) 
1581                   (ok_irreds ++ ws)}
1582         | otherwise
1583         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1584                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1585              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1586              ; case lookup_result of
1587                  NoInstance      -> go (w:irreds) binds ws
1588                  GenInst ws' rhs -> go irreds binds' (ws' ++ ws)
1589                         where
1590                           binds' = addInstToDictBind binds w rhs
1591           }
1592
1593         -- Sigh: we need to reduce inside implications
1594     red_env = mkInferRedEnv doc try_me
1595     doc = ptext (sLit "Implication constraint in RULE lhs")
1596     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1597                 | otherwise          = Stop     -- Be gentle
1598 \end{code}
1599
1600 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1601 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1602 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1603 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1604 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1605 this bracket again at its usage site.
1606
1607 \begin{code}
1608 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1609 tcSimplifyBracket wanteds
1610   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1611         ; return () }
1612   where
1613     doc = text "tcSimplifyBracket"
1614 \end{code}
1615
1616
1617 %************************************************************************
1618 %*                                                                      *
1619 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1620 %*                                                                      *
1621 %************************************************************************
1622
1623 When we have
1624         let ?x = R in B
1625
1626 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1627 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1628
1629 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1630
1631         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1632         let ?x = 3 in f 'c'
1633
1634 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1635 force the binding for ?x to be of type Int.
1636
1637 \begin{code}
1638 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1639               -> [Inst]         -- Wanted
1640               -> TcM TcDictBinds
1641         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1642         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1643         --      let ?x = e in ?x
1644         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1645         -- makes them the same.
1646
1647 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1648   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1649         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1650                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1651
1652         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1653         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1654
1655         ; if null irreds || not improved then 
1656                 ASSERT( all is_free irreds )
1657                 do { extendLIEs irreds
1658                    ; return binds }
1659           else do
1660         -- If improvement did some unification, we go round again.
1661         -- We start again with irreds, not wanteds
1662         -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1663         -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1664         -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1665         -- See Note [LOOP]
1666         { binds1 <- tcSimplifyIPs given_ips' irreds
1667         ; return $ binds `unionBags` binds1
1668         } }
1669   where
1670     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1671     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1672     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1673
1674         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1675     try_me inst | is_free inst = Stop
1676                 | otherwise    = ReduceMe
1677 \end{code}
1678
1679
1680 %************************************************************************
1681 %*                                                                      *
1682 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1683 %*                                                                      *
1684 %************************************************************************
1685
1686 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1687 For example, we might have...
1688 \begin{verbatim}
1689 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1690     f.1 = f Int     -- two instances of f
1691     f.2 = f Float
1692  in
1693     (f.1 5, f.2 6.7)
1694 \end{verbatim}
1695 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1696 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1697 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1698 there, they would have unresolvable references to @f@.
1699
1700 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1701 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1702 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1703 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1704
1705 \begin{code}
1706 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1707 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1708 --      fm = f tys dicts
1709 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1710 --      d1 = d2
1711 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1712 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1713
1714 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1715   | null overloaded_ids = do
1716         -- Common case
1717     extendLIEs wanteds
1718     return emptyLHsBinds
1719
1720   | otherwise
1721   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1722         ; extendLIEs not_for_me 
1723         ; extendLIEs irreds
1724         ; return binds }
1725   where
1726     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1727     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1728     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1729     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1730
1731     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1732                                                 -- so it's worth building a set, so that
1733                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1734 \end{code}
1735
1736
1737 %************************************************************************
1738 %*                                                                      *
1739 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1740 %*                                                                      *
1741 %************************************************************************
1742
1743 The main control over context reduction is here
1744
1745 \begin{code}
1746 data RedEnv 
1747   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1748            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1749            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1750            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1751                                                 -- Always dicts & equalities
1752                                                 -- but see Note [Rigidity]
1753  
1754            , red_given_scs :: Inst -> WantSCs   -- See Note [Recursive instances and superclases]
1755  
1756            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1757                                                 -- See Note [RedStack]
1758   }
1759
1760 -- Note [Rigidity]
1761 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1762 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1763 --      let ?x = e in ...
1764 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1765 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1766
1767 -- Note [RedStack]
1768 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1769 -- 'n' is always the depth of the stack.
1770 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1771 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1772
1773
1774 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1775 mkRedEnv doc try_me givens
1776   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1777              red_givens = givens, 
1778              red_given_scs = const AddSCs,
1779              red_stack = (0,[]),
1780              red_improve = True }       
1781
1782 mkInferRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1783 -- No givens at all
1784 mkInferRedEnv doc try_me
1785   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1786              red_givens = [], 
1787              red_given_scs = const AddSCs,
1788              red_stack = (0,[]),
1789              red_improve = True }       
1790
1791 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1792 -- Do not do improvement; no givens
1793 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1794   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1795              red_givens = [], 
1796              red_given_scs = const AddSCs,
1797              red_stack = (0,[]),
1798              red_improve = True }       
1799
1800 data WhatToDo
1801  = ReduceMe     -- Try to reduce this
1802                 -- If there's no instance, add the inst to the 
1803                 -- irreductible ones, but don't produce an error 
1804                 -- message of any kind.
1805                 -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1806
1807  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1808                         -- be reduced to a constant in one step
1809                         -- Do not add superclasses; see 
1810
1811 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1812                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1813         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1814         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1815
1816 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1817 zonkRedEnv env
1818   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1819        ; return $ env {red_givens = givens'}
1820        }
1821 \end{code}
1822
1823
1824 %************************************************************************
1825 %*                                                                      *
1826 \subsection[reduce]{@reduce@}
1827 %*                                                                      *
1828 %************************************************************************
1829
1830 Note [Ancestor Equalities]
1831 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1832 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1833 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1834 class constraints.  Consider the following code
1835
1836   class a ~ Int => C a
1837   instance C Int
1838
1839 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1840 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1841 discharge with the explicit instance.
1842
1843 \begin{code}
1844 reduceContext :: RedEnv
1845               -> [Inst]                 -- Wanted
1846               -> TcM (ImprovementDone,
1847                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1848                       [Inst])           -- Irreducible
1849
1850 reduceContext env wanteds0
1851   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1852              text "----------------------",
1853              red_doc env,
1854              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1855              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1856              text "----------------------"
1857              ]))
1858
1859           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1860           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1861           -- See Note [Ancestor Equalities]
1862         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanteds0
1863         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1864
1865           -- Normalise and solve all equality constraints as far as possible
1866           -- and normalise all dictionary constraints wrt to the reduced
1867           -- equalities.  The returned wanted constraints include the
1868           -- irreducible wanted equalities.
1869         ; let wanteds = wanteds0 ++ ancestor_eqs
1870               givens  = red_givens env
1871         ; (givens', 
1872            wanteds', 
1873            normalise_binds,
1874            eq_improved)     <- tcReduceEqs givens wanteds
1875         ; traceTc $ text "reduceContext: tcReduceEqs result" <+> vcat
1876                       [ppr givens', ppr wanteds', ppr normalise_binds]
1877
1878           -- Build the Avail mapping from "given_dicts"
1879         ; (init_state, _) <- getLIE $ do 
1880                 { init_state <- foldlM (addGiven (red_given_scs env)) 
1881                                        emptyAvails givens'
1882                 ; return init_state
1883                 }
1884
1885           -- Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1886           -- This may expose some further equational constraints...
1887         ; let (wanted_implics, wanted_dicts) = partition isImplicInst wanteds'
1888         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1889         ; (dict_binds, 
1890            bound_dicts, 
1891            dict_irreds)       <- extractResults avails wanted_dicts
1892         ; traceTc $ text "reduceContext: extractResults" <+> vcat
1893                       [ppr avails, ppr wanted_dicts, ppr dict_binds]
1894
1895           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1896           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1897           --              *or* for which we now have bindings, 
1898           --              *or* which are now irreds
1899           -- NB: Equality irreds need to be converted, as the recursive 
1900           --     invocation of the solver will still treat them as wanteds
1901           --     otherwise.
1902         ; let implic_env = env { red_givens 
1903                                    = givens ++ bound_dicts ++
1904                                      map wantedToLocalEqInst dict_irreds }
1905         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) 
1906             <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics
1907         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1908               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1909
1910           -- Collect all irreducible instances, and determine whether we should
1911           -- go round again.  We do so in either of two cases:
1912           -- (1) If dictionary reduction or equality solving led to
1913           --     improvement (i.e., instantiated type variables).
1914           -- (2) If we uncovered extra equalities.  We will try to solve them
1915           --     in the next iteration.
1916           -- (3) If we reduced dictionaries (i.e., got dictionary bindings),
1917           --     they may have exposed further opportunities to normalise
1918           --     family applications.  See Note [Dictionary Improvement]
1919
1920         ; let all_irreds       = dict_irreds ++ implic_irreds ++ extra_eqs
1921               avails_improved  = availsImproved avails
1922               improvedFlexible = avails_improved || eq_improved
1923               extraEqs         = (not . null) extra_eqs
1924               reduced_dicts    = not (isEmptyBag dict_binds)
1925               improved         = improvedFlexible || extraEqs || reduced_dicts
1926               --
1927               improvedHint  = (if avails_improved then " [AVAILS]" else "") ++
1928                               (if eq_improved then " [EQ]" else "") ++
1929                               (if extraEqs then " [EXTRA EQS]" else "")
1930
1931         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1932              text "----------------------",
1933              red_doc env,
1934              text "given" <+> ppr givens,
1935              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1936              text "----",
1937              text "avails" <+> pprAvails avails,
1938              text "improved =" <+> ppr improved <+> text improvedHint,
1939              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1940              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1941              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1942              text "----------------------"
1943              ]))
1944
1945         ; return (improved, 
1946                   normalise_binds `unionBags` dict_binds 
1947                                   `unionBags` implic_binds, 
1948                   all_irreds) 
1949         }
1950
1951 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1952 tcImproveOne avails inst
1953   | not (isDict inst) = return False
1954   | otherwise
1955   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1956         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1957                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1958                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1959                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1960                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1961                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1962                 -- It does not have duplicates (good)
1963                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in 
1964                 --    avails so that improve will see them separate
1965         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1966         ; unifyEqns eqns }
1967
1968 unifyEqns :: [(Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc))] 
1969           -> TcM ImprovementDone
1970 unifyEqns [] = return False
1971 unifyEqns eqns
1972   = do  { traceTc (ptext (sLit "Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1973         ; improved <- mapM unify eqns
1974         ; return $ or improved
1975         }
1976   where
1977     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1978          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ 
1979              do { let freeTyVars = unionVarSets (map tvs_pr pairs) 
1980                                    `minusVarSet` qtvs
1981                 ; (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1982                 ; mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1983                 ; anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems freeTyVars
1984                 }
1985
1986     unif_pr tenv (ty1, ty2) = unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1987
1988     tvs_pr (ty1, ty2) = tyVarsOfType ty1 `unionVarSet` tyVarsOfType ty2
1989
1990 pprEquationDoc :: (Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc)) -> SDoc
1991 pprEquationDoc (eqn, (p1, _), (p2, _)) 
1992   = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1993
1994 mkEqnMsg :: (TcPredType, SDoc) -> (TcPredType, SDoc) -> TidyEnv
1995          -> TcM (TidyEnv, SDoc)
1996 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1997   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1
1998         ; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1999         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'
2000               ; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
2001         ; let msg = vcat [ptext (sLit "When using functional dependencies to combine"),
2002                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
2003                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
2004         ; return (tidy_env, msg) }
2005 \end{code}
2006
2007 Note [Dictionary Improvement]
2008 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2009 In reduceContext, we first reduce equalities and then class constraints.
2010 However, the letter may expose further opportunities for the former.  Hence,
2011 we need to go around again if dictionary reduction produced any dictionary
2012 bindings.  The following example demonstrated the point:
2013
2014   data EX _x _y (p :: * -> *)
2015   data ANY
2016
2017   class Base p
2018
2019   class Base (Def p) => Prop p where
2020    type Def p
2021
2022   instance Base ()
2023   instance Prop () where
2024    type Def () = ()
2025
2026   instance (Base (Def (p ANY))) => Base (EX _x _y p)
2027   instance (Prop (p ANY)) => Prop (EX _x _y p) where
2028    type Def (EX _x _y p) = EX _x _y p
2029
2030   data FOO x
2031   instance Prop (FOO x) where
2032    type Def (FOO x) = ()
2033
2034   data BAR
2035   instance Prop BAR where
2036    type Def BAR = EX () () FOO
2037
2038 During checking the last instance declaration, we need to check the superclass
2039 cosntraint Base (Def BAR), which family normalisation reduced to 
2040 Base (EX () () FOO).  Chasing the instance for Base (EX _x _y p), gives us
2041 Base (Def (FOO ANY)), which again requires family normalisation of Def to
2042 Base () before we can finish.
2043
2044
2045 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
2046
2047 \begin{code}
2048 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
2049 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
2050   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
2051         ; dopts <- getDOpts
2052         ; when (debugIsOn && (n > 8)) $ do
2053                 debugDumpTcRn (hang (ptext (sLit "Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
2054                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
2055         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
2056             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
2057           else
2058             go wanteds state }
2059   where
2060     go []     state = return state
2061     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
2062                          ; go ws state' }
2063
2064     -- Base case: we're done!
2065 reduce :: RedEnv -> Inst -> Avails -> TcM Avails
2066 reduce env wanted avails
2067
2068     -- We don't reduce equalities here (and they must not end up as irreds
2069     -- in the Avails!)
2070   | isEqInst wanted
2071   = return avails
2072
2073     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
2074   | Just _ <- findAvail avails wanted
2075   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
2076        ; return avails
2077        }
2078
2079   | otherwise
2080   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
2081         ; case red_try_me env wanted of {
2082             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
2083                         -- See Note [No superclasses for Stop]
2084
2085             ReduceMe -> do      -- It should be reduced
2086                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
2087                 ; case lookup_result of
2088                     NoInstance -> addIrred AddSCs avails wanted
2089                              -- Add it and its superclasses
2090                              
2091                     GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2092
2093                     GenInst wanteds' rhs
2094                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
2095                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
2096                                 ; addWanted AddSCs avails2 wanted rhs wanteds' } }
2097                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
2098                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
2099                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
2100                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2101                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
2102                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
2103                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
2104                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
2105     } }
2106   where
2107         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
2108         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
2109         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
2110     try_simple do_this_otherwise
2111       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
2112            ; case res of
2113                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2114                 _              -> do_this_otherwise avails wanted }
2115 \end{code}
2116
2117
2118 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2119 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2120 Consider 
2121     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2122     
2123     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2124         ZeroD     == ZeroD     = True
2125         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2126         _         == _         = False;
2127     
2128     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2129     equalDC = (==);
2130
2131 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2132
2133         d1 : Eq (D [])
2134
2135 by instance decl, holds if
2136         d2 : Eq [D []]
2137         where   d1 = dfEqD d2
2138
2139 by instance decl of Eq, holds if
2140         d3 : D []
2141         where   d2 = dfEqList d3
2142                 d1 = dfEqD d2
2143
2144 But now we can "tie the knot" to give
2145
2146         d3 = d1
2147         d2 = dfEqList d3
2148         d1 = dfEqD d2
2149
2150 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2151 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2152 contributing clauses.
2153         
2154 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2155 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2156 We need to be careful when adding "the constaint we are trying to prove".
2157 Suppose we are *given* d1:Ord a, and want to deduce (d2:C [a]) where
2158
2159         class Ord a => C a where
2160         instance Ord [a] => C [a] where ...
2161
2162 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2163 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2164 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2165 build a loop! 
2166
2167 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2168         class Monad m => C1 m
2169         class C1 m => C2 m x
2170         instance C2 Maybe Bool
2171 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2172 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2173 before we search for C1 Maybe.
2174
2175 Here's another example 
2176         class Eq b => Foo a b
2177         instance Eq a => Foo [a] a
2178 If we are reducing
2179         (Foo [t] t)
2180
2181 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2182 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2183
2184 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2185 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2186 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2187 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2188 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2189 first time, but reducible next time.
2190
2191 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2192 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2193
2194
2195
2196 %************************************************************************
2197 %*                                                                      *
2198                 Reducing a single constraint
2199 %*                                                                      *
2200 %************************************************************************
2201
2202 \begin{code}
2203 ---------------------------------------------
2204 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2205 reduceInst _ avails other_inst
2206   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2207         ; return (avails, result) }
2208 \end{code}
2209
2210 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2211 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2212
2213 An implication constraint is of the form 
2214         Given => Wanted 
2215 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2216 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2217 is distinct:
2218
2219 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2220    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2221    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2222    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2223
2224 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2225    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2226    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2227    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2228    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2229    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2230
2231 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2232 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2233 which are types.
2234
2235 \begin{code}
2236 ---------------------------------------------
2237 reduceImplication :: RedEnv
2238                   -> Inst
2239                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2240 \end{code}
2241
2242 Suppose we are simplifying the constraint
2243         forall bs. extras => wanted
2244 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2245
2246 Note that
2247   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2248         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2249                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2250
2251     This happens when you have something like
2252         data T a where
2253           T1 :: Eq a => a -> T a
2254
2255         f :: T a -> Int
2256         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2257
2258 \begin{code}
2259         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2260         --
2261         -- Note on coercion variables:
2262         --
2263         --      The extra given coercion variables are bound at two different 
2264         --      sites:
2265         --
2266         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2267         --              the solved equational constraints use these binders
2268         --
2269         --      -) at the solving site of the implication constraint
2270         --              the solved dictionaries use these binders;
2271         --              these binders are generated by reduceImplication
2272         --
2273         -- Note [Binders for equalities]
2274         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2275         -- To reuse the binders of local/given equalities in the binders of 
2276         -- implication constraints, it is crucial that these given equalities
2277         -- always have the form
2278         --   cotv :: t1 ~ t2
2279         -- where cotv is a simple coercion type variable (and not a more
2280         -- complex coercion term).  We require that the extra_givens always
2281         -- have this form and exploit the special form when generating binders.
2282 reduceImplication env
2283         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2284                                   tci_tyvars = tvs,
2285                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds
2286                                  })
2287   = do  {       -- Solve the sub-problem
2288         ; let try_me _ = ReduceMe  -- Note [Freeness and implications]
2289               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2290                          , red_doc = sep [ptext (sLit "reduceImplication for") 
2291                                             <+> ppr name,
2292                                           nest 2 (parens $ ptext (sLit "within")
2293                                                            <+> red_doc env)]
2294                          , red_try_me = try_me }
2295
2296         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2297                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2298                           ppr wanteds])
2299         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2300
2301         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2302                         [ppr irreds, ppr binds])
2303
2304         ; -- extract superclass binds
2305           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2306 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2307 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2308 --  
2309
2310         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2311         -- Then we must iterate the outer loop too!
2312
2313         ; didntSolveWantedEqs <- allM wantedEqInstIsUnsolved wanteds
2314                                    -- we solve wanted eqs by side effect!
2315
2316             -- Progress is no longer measered by the number of bindings
2317             -- If there are any irreds, but no bindings and no solved
2318             -- equalities, we back off and do nothing
2319         ; let backOff = isEmptyLHsBinds binds &&   -- no new bindings
2320                         (not $ null irreds)   &&   -- but still some irreds
2321                         didntSolveWantedEqs        -- no instantiated cotv
2322
2323         ; if backOff then       -- No progress
2324                 return (emptyBag, [orig_implic])
2325           else do
2326         { (simpler_implic_insts, bind) 
2327             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2328                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2329                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2330                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2331                 -- when inferring types.
2332
2333         ; let   -- extract Id binders for dicts and CoTyVar binders for eqs;
2334                 -- see Note [Binders for equalities]
2335               (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst 
2336                                                                extra_givens
2337               eq_cotvs = map instToVar extra_eq_givens
2338               dict_ids = map instToId  extra_dict_givens 
2339
2340                         -- Note [Always inline implication constraints]
2341               wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2342                           | otherwise     = WpInline
2343               co         = wrap_inline
2344                            <.> mkWpTyLams tvs
2345                            <.> mkWpTyLams eq_cotvs
2346                            <.> mkWpLams dict_ids
2347                            <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2348               rhs        = mkLHsWrap co payload
2349               loc        = instLocSpan inst_loc
2350                              -- wanted equalities are solved by updating their
2351                              -- cotv; we don't generate bindings for them
2352               dict_bndrs =   map (L loc . HsVar . instToId) 
2353                            . filter (not . isEqInst) 
2354                            $ wanteds
2355               payload    = mkBigLHsTup dict_bndrs
2356
2357         
2358         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2359                          ppr simpler_implic_insts,
2360                          text "->" <+> ppr rhs])
2361         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) rhs)),
2362                   simpler_implic_insts)
2363         } 
2364     }
2365 reduceImplication _ i = pprPanic "reduceImplication" (ppr i)
2366 \end{code}
2367
2368 Note [Always inline implication constraints]
2369 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2370 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2371 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2372 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2373 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2374 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2375 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2376 there is no loss of sharing as a result.
2377
2378 Note [Freeness and implications]
2379 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2380 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2381         forall {} Eq a => Foo [a]
2382 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2383 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2384
2385 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2386 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2387         forall {a}. () => Bar b
2388 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2389 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2390 must be much more careful:
2391         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2392 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2393 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2394
2395 Here is an even more exotic example
2396         class C a => D a b
2397 Now consider the constraint
2398         forall b. D Int b => C Int
2399 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2400 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2401 the constraints!
2402
2403 One more example: the constraint
2404         class C a => D a b
2405         instance (C a, E c) => E (a,c)
2406
2407         constraint: forall b. D Int b => E (Int,c)
2408
2409 You might think that the (D Int b) can't possibly contribute
2410 to solving (E (Int,c)), since the latter mentions 'c'.  But 
2411 in fact it can, because solving the (E (Int,c)) constraint needs 
2412 dictionaries
2413         C Int, E c
2414 and the (C Int) can be satisfied from the superclass of (D Int b).
2415 So we must still not float (E (Int,c)) out.
2416
2417 To think about: special cases for unary type classes?
2418
2419 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2420 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2421 Suppose we are about to form the implication constraint
2422         forall tvs.  Eq a => Ord b
2423 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2424 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2425 But BE CAREFUL of the examples above in [Freeness and implications].
2426
2427 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2428 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2429 advantage of that at the moment.
2430
2431 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2432
2433
2434 %************************************************************************
2435 %*                                                                      *
2436                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2437 %*                                                                      *
2438 %************************************************************************
2439
2440
2441 \begin{code}
2442 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2443
2444 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2445                                 -- so some Irreds might now be reducible
2446                                 -- keys that are now 
2447
2448 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2449 data AvailHow
2450   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2451                         -- which are going to be lambda bound
2452
2453   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2454                         -- e.g. those "given" in a signature
2455
2456   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2457         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2458         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2459
2460 instance Outputable Avails where
2461   ppr = pprAvails
2462
2463 pprAvails :: Avails -> SDoc
2464 pprAvails (Avails imp avails)
2465   = vcat [ ptext (sLit "Avails") <> (if imp then ptext (sLit "[improved]") else empty)
2466          , nest 2 $ braces $ 
2467            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2468                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2469
2470 instance Outputable AvailHow where
2471     ppr = pprAvail
2472
2473 -------------------------
2474 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2475 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2476 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2477 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2478                                nest 2 (ppr rhs)]
2479
2480 -------------------------
2481 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2482 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2483
2484 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2485 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2486         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2487         --  *not* by unique.  So
2488         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2489
2490 emptyAvails :: Avails
2491 emptyAvails = Avails False emptyFM
2492
2493 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2494 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2495
2496 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2497 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2498
2499 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2500 -- Does improvement
2501 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2502   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2503         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2504
2505 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2506 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2507
2508 availsImproved :: Avails -> ImprovementDone
2509 availsImproved (Avails imp _) = imp
2510 \end{code}
2511
2512 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2513 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2514 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2515 dependency analyser can sort them out later
2516
2517 \begin{code}
2518 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2519 -- Tracks which things we have evidence for
2520
2521 extractResults :: Avails
2522                -> [Inst]                -- Wanted
2523                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2524                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2525                        [Inst])          -- Irreducible ones
2526                         -- Note [Reducing implication constraints]
2527
2528 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2529   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2530   where
2531     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2532         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2533         -> [Inst]       -- Irreds
2534         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2535         -> [Inst]       -- Wanted
2536         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2537     go binds bound_dicts irreds _ [] 
2538       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2539
2540     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2541       | isEqInst w
2542       = go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2543
2544       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2545       = if w_id `elem` done_ids then
2546            go binds bound_dicts irreds done ws
2547         else
2548            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2549               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2550
2551       | otherwise       -- Not yet done
2552       = case findAvailEnv avails w of
2553           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2554                      go binds bound_dicts irreds done ws
2555
2556           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2557
2558           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2559
2560           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2561                 where
2562                   g_id = instToId g
2563                   binds' | w_id == g_id = binds
2564                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2565       where
2566         w_id  = instToId w      
2567         done' = addToFM done w [w_id]
2568         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2569 \end{code}
2570
2571
2572 Note [No superclasses for Stop]
2573 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2574 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2575 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2576 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2577         df::Floating a
2578         dn::Num a
2579 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2580 here lest we lose sharing.
2581
2582 \begin{code}
2583 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2584 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2585   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2586   where
2587     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2588
2589 addGiven :: (Inst -> WantSCs) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2590 addGiven want_scs avails given = addAvailAndSCs (want_scs given) avails given (Given given)
2591         -- Conditionally add superclasses for 'givens'
2592         -- See Note [Recursive instances and superclases]
2593         --
2594         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2595         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2596         -- so the assert isn't true
2597 \end{code}
2598
2599 \begin{code}
2600 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2601 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2602                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2603
2604 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2605 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2606   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2607   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2608   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2609                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2610                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2611   where
2612     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2613                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2614     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2615     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2616
2617     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2618     -- Find all the Insts that this one depends on
2619     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2620     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2621     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2622     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2623     findAllDeps so_far _            = so_far
2624
2625     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2626     find_all so_far kid
2627       | isEqInst kid                       = so_far
2628       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2629       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2630       | otherwise                          = so_far'
2631       where
2632         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2633         kid_id = instToId kid
2634
2635 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2636         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2637         -- The first param says "don't do this because the original thing
2638         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2639         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2640
2641 addSCs is_loop avails dict
2642   = ASSERT( isDict dict )
2643     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2644         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2645   where
2646     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2647     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2648     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2649                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2650
2651     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2652       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2653       | is_given sc_dict           = return avails
2654       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2655                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2656       where
2657         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2658         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2659
2660     is_given :: Inst -> Bool
2661     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2662                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2663                           _              -> False
2664
2665 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2666 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2667 --
2668 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2669 ancestorEqualities
2670   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2671     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2672     . bagToList 
2673     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2674     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2675     . filter isClassDict
2676   where
2677     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2678     addAEsToBag bag []           = bag
2679     addAEsToBag bag (pred:preds)
2680       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2681       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2682       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2683       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2684       where
2685         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2686         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2687         --
2688         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2689         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2690 \end{code}
2691
2692
2693 %************************************************************************
2694 %*                                                                      *
2695 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2696 %*                                                                      *
2697 %************************************************************************
2698
2699
2700 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2701 and ambiguous Insts.
2702
2703 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2704
2705         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2706
2707 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2708 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2709
2710 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2711
2712
2713 \begin{code}
2714 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2715 tcSimplifyTop wanteds
2716   = tc_simplify_top doc False wanteds
2717   where 
2718     doc = text "tcSimplifyTop"
2719
2720 tcSimplifyInteractive wanteds
2721   = tc_simplify_top doc True wanteds
2722   where 
2723     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2724
2725 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2726 -- error message generation for the monomorphism restriction
2727 tc_simplify_top :: SDoc -> Bool -> [Inst] -> TcM (Bag (LHsBind TcId))
2728 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2729   = do  { dflags <- getDOpts
2730         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2731         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2732
2733         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2734         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2735 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2736         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2737         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\_ -> True) irreds1
2738         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2739
2740                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2741                 -- NB: irreds2 are already zonked
2742         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2743
2744                 -- Deal with implicit parameters
2745         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2746               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2747
2748         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2749                                 --                  f x = x + ?y
2750         ; addNoInstanceErrs others
2751         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2752
2753         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2754   where
2755     doc1 = doc <+> ptext (sLit "(first round)")
2756     doc2 = doc <+> ptext (sLit "(approximate)")
2757     doc3 = doc <+> ptext (sLit "(disambiguate)")
2758 \end{code}
2759
2760 If a dictionary constrains a type variable which is
2761         * not mentioned in the environment
2762         * and not mentioned in the type of the expression
2763 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2764 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2765 parameter to a function.
2766
2767 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2768 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2769 Specifically, if
2770         * at least one of its classes is a numeric class, and
2771         * all of its classes are numeric or standard
2772 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2773 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2774
2775 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2776 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2777 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2778 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2779
2780 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2781 the same type variable.
2782
2783 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2784 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2785 the most common use of defaulting is code like:
2786 \begin{verbatim}
2787         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2788 \end{verbatim}
2789 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2790 @void@.
2791
2792 \begin{code}
2793 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2794         -- Just does unification to fix the default types
2795         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2796 disambiguate doc interactive dflags insts
2797   | null insts
2798   = return (insts, emptyBag)
2799
2800   | null defaultable_groups
2801   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2802         ; return (insts, emptyBag) }
2803
2804   | otherwise
2805   = do  {       -- Figure out what default types to use
2806           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2807
2808         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2809         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2810
2811         -- disambigGroup does unification, hence try again
2812         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2813
2814   where
2815    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2816    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2817
2818    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2819    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2820    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2821    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2822
2823         -- Finds unary type-class constraints
2824    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2825         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2826    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2827
2828                 -- Group by type variable
2829    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2830    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2831    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2832
2833    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2834    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2835         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2836         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2837         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2838    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2839
2840    defaultable_classes clss 
2841         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2842         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2843
2844         -- In interactive mode, or with -XExtendedDefaultRules,
2845         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2846    isInteractiveClass cls 
2847         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2848
2849    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2850         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2851         -- when -foverloaded-strings is enabled
2852
2853    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2854         -- Similarly is_std_class
2855
2856 -----------------------
2857 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2858               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2859               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2860
2861 disambigGroup default_tys dicts
2862   = try_default default_tys
2863   where
2864     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2865     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2866
2867     try_default [] = return ()
2868     try_default (default_ty : default_tys)
2869       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2870         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2871                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2872                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2873                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2874                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2875                 -- default list is Int.
2876
2877                 -- After this we can't fail
2878            ; warnDefault dicts default_ty
2879            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2880            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2881            }
2882
2883
2884 -----------------------
2885 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2886 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2887   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2888         ; case mb_defaults of {
2889            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2890            Nothing  -> do
2891
2892         -- No use-supplied default
2893         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2894         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2895         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2896         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2897         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2898                         -- Note [Default unitTy]
2899                         ++
2900                   [integer_ty,doubleTy]
2901                         ++
2902                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2903   where
2904     opt_deflt True  ty = [ty]
2905     opt_deflt False _  = []
2906 \end{code}
2907
2908 Note [Default unitTy]
2909 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2910 In interative mode (or with -XExtendedDefaultRules) we add () as the first type we
2911 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2912 Consider: 
2913         Text.Printf.printf "hello"
2914 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2915 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2916 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2917 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2918 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2919
2920 Note [Avoiding spurious errors]
2921 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2922 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2923 type variables, and simply don't default them.  For example:
2924    f = (*)      -- Monomorphic
2925    g :: Num a => a -> a
2926    g x = f x x
2927 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2928 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2929 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2930 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2931 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2932
2933
2934 %************************************************************************
2935 %*                                                                      *
2936 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2937 %*                                                                      *
2938 %************************************************************************
2939
2940 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2941
2942 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2943 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2944 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2945
2946 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2947 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2948 instance declarations.
2949
2950 \begin{code}
2951 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2952                 -> [TyVar]      
2953                 -> ThetaType            -- Wanted
2954                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2955 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2956 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2957
2958 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2959   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2960         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2961         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2962         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2963         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2964         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2965
2966         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2967         ; addNoInstanceErrs others
2968         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2969
2970         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2971               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2972                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2973                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2974
2975         ; return simpl_theta }
2976   where
2977     doc = ptext (sLit "deriving classes for a data type")
2978
2979     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2980             | otherwise   = False
2981 \end{code}
2982
2983
2984 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2985 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2986 whether it worked or not.
2987
2988 \begin{code}
2989 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2990                   -> TcM ()
2991
2992 tcSimplifyDefault theta = do
2993     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
2994     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2995     addNoInstanceErrs  irreds
2996     if null irreds then
2997         return ()
2998      else
2999         traceTc (ptext (sLit "tcSimplifyDefault failing")) >> failM
3000   where
3001     doc = ptext (sLit "default declaration")
3002 \end{code}
3003
3004
3005 %************************************************************************
3006 %*                                                                      *
3007 \section{Errors and contexts}
3008 %*                                                                      *
3009 %************************************************************************
3010
3011 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
3012 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
3013 now?
3014
3015 \begin{code}
3016 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
3017           -> [Inst]             -- The offending Insts
3018           -> TcM ()
3019 -- Group together insts with the same origin
3020 -- We want to report them together in error messages
3021
3022 groupErrs _ [] 
3023   = return ()
3024 groupErrs report_err (inst:insts)
3025   = do  { do_one (inst:friends)
3026         ; groupErrs report_err others }
3027   where
3028         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
3029         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
3030         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
3031    (friends, others) = partition is_friend insts
3032    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
3033    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
3034    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
3035                 -- Add location and context information derived from the Insts
3036
3037 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
3038 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
3039 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
3040
3041 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
3042 addTopIPErrs _ [] 
3043   = return ()
3044 addTopIPErrs bndrs ips
3045   = do  { dflags <- getDOpts
3046         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
3047   where
3048     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
3049     mk_msg dflags ips 
3050         = vcat [sep [ptext (sLit "Implicit parameters escape from"),
3051                 nest 2 (ptext (sLit "the monomorphic top-level binding") 
3052                                             <> plural bndrs <+> ptext (sLit "of")
3053                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
3054                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
3055                 monomorphism_fix dflags]
3056     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
3057
3058 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
3059 topIPErrs dicts
3060   = groupErrs report tidy_dicts
3061   where
3062     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3063     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
3064     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext (sLit "Unbound implicit parameter") <> 
3065                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
3066
3067 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3068                   -> TcM ()     
3069 addNoInstanceErrs insts
3070   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3071         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3072
3073 reportNoInstances 
3074         :: TidyEnv
3075         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3076                         -- Nothing => top level
3077                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3078                         --               with givens g
3079         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3080         -> TcM ()       
3081
3082 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3083   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3084
3085 report_no_instances :: TidyEnv -> Maybe (InstLoc, [Inst]) -> [Inst] -> TcM ()
3086 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3087   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3088        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3089              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3090              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3091        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3092                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3093        ; mapM_ complain_implic implics
3094        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3095        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3096        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3097        }
3098   where
3099     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3100
3101     complain_implic inst        -- Recurse!
3102       = reportNoInstances tidy_env 
3103                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3104                           (tci_wanted inst)
3105
3106     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3107         -- Right msg  => overlap message
3108         -- Left  inst => no instance
3109     check_overlap inst_envs wanted
3110         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3111         | otherwise
3112         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3113                 ([], _) -> Left wanted          -- No match
3114                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3115                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3116                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3117                 ([_],[])
3118                  | debugIsOn -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3119                 res -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3120           where
3121             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3122
3123     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3124       = ASSERT( not (null matches) )
3125         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext (sLit "Overlapping instances for") 
3126                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3127                 sep [ptext (sLit "Matching instances") <> colon,
3128                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3129                 if not (isSingleton matches)
3130                 then    -- Two or more matches
3131                      empty
3132                 else    -- One match, plus some unifiers
3133                 ASSERT( not (null unifiers) )
3134                 parens (vcat [ptext (sLit "The choice depends on the instantiation of") <+>
3135                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3136                               ptext (sLit "To pick the first instance above, use -XIncoherentInstances"),
3137                               ptext (sLit "when compiling the other instance declarations")])]
3138       where
3139         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3140
3141     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3142     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3143
3144     mk_no_inst_err insts
3145       | null insts = empty
3146
3147       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3148         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3149       = vcat [ addInstLoc insts $
3150                sep [ ptext (sLit "Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3151                    , nest 2 $ ptext (sLit "from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3152              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3153
3154       | otherwise       -- Top level 
3155       = vcat [ addInstLoc insts $
3156                ptext (sLit "No instance") <> plural insts
3157                     <+> ptext (sLit "for") <+> pprDictsTheta insts
3158              , show_fixes fixes2 ]
3159
3160       where
3161         fix1 loc = sep [ ptext (sLit "add") <+> pprDictsTheta insts
3162                                  <+> ptext (sLit "to the context of"),
3163                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3164                          -- I'm not sure it helps to add the location
3165                          -- nest 2 (ptext (sLit "at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3166
3167         fixes2 | null instance_dicts = []
3168                | otherwise           = [sep [ptext (sLit "add an instance declaration for"),
3169                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3170         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3171                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3172                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3173
3174         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3175         show_fixes []     = empty
3176         show_fixes (f:fs) = sep [ptext (sLit "Possible fix:"), 
3177                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext (sLit "or") <+>) fs))]
3178
3179 addTopAmbigErrs :: [Inst] -> TcRn ()
3180 addTopAmbigErrs dicts
3181 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3182   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3183                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3184     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3185   where
3186     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3187
3188     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3189     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3190     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3191     
3192     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3193     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3194           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3195           setSrcSpan (instSpan inst) $
3196                 -- the location of the first one will do for the err message
3197            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3198         where
3199           dicts = map fst pairs
3200           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3201                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3202                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3203           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3204     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3205
3206
3207 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3208 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3209 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3210 -- Try to identify the offending variable
3211 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3212 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3213   = do  { dflags <- getDOpts
3214         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3215         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3216   where
3217     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3218         =  vcat [ptext (sLit "Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3219                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3220                 ptext (sLit "Use :print or :force to determine these types")]
3221     mk_msg _ []   = ptext (sLit "Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3222                         -- This happens in things like
3223                         --      f x = show (read "foo")
3224                         -- where monomorphism doesn't play any role
3225     mk_msg dflags docs 
3226         = vcat [ptext (sLit "Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3227                 nest 2 (vcat docs),
3228                 monomorphism_fix dflags]
3229
3230 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3231 monomorphism_fix dflags
3232   = ptext (sLit "Probable fix:") <+> vcat
3233         [ptext (sLit "give these definition(s) an explicit type signature"),
3234          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3235            then ptext (sLit "or use -XNoMonomorphismRestriction")
3236            else empty]  -- Only suggest adding "-XNoMonomorphismRestriction"
3237                         -- if it is not already set!
3238     
3239 warnDefault :: [(Inst, Class, Var)] -> Type -> TcM ()
3240 warnDefault ups default_ty = do
3241     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3242     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3243   where
3244     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3245
3246         -- Tidy them first
3247     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3248     warn_msg  = vcat [ptext (sLit "Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3249                                 quotes (ppr default_ty),
3250                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3251
3252 reduceDepthErr :: Int -> [Inst] -> SDoc
3253 reduceDepthErr n stack
3254   = vcat [ptext (sLit "Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3255           ptext (sLit "Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3256           nest 4 (pprStack stack)]
3257
3258 pprStack :: [Inst] -> SDoc
3259 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3260 \end{code}