a274cab231fbd37bdca7518012b46a15a7238fe0
[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, *and* throwing the constraint into the LIE
975 -- The binding looks like
976 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
977 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
978 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
979 -- qtvs includes coercion variables
980 --
981 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
982 makeImplicationBind loc all_tvs
983                     givens      -- Guaranteed all Dicts
984                                 -- 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               eq_tyvar_cos = mkTyVarTys (varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens)
993                 -- Urgh! See line 2187 or thereabouts.  I believe that all these
994                 -- 'givens' must be a simple CoVar.  This MUST be cleaned up.
995
996         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
997               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
998                                          tci_tyvars = all_tvs, 
999                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1000                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
1001         ; let   -- only create binder for dict_irreds
1002               (_, dict_irreds) = partition isEqInst irreds
1003               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1004               lpat = mkBigLHsPatTup (map (L span . VarPat) dict_irred_ids)
1005               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1006               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens)
1007                     <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos
1008                     <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1009               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1010                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = lpat, 
1011                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1012                                                   pat_rhs_ty = hsLPatType lpat,
1013                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1014         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1015         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1016         }
1017
1018 -----------------------------------------------------------
1019 tryHardCheckLoop :: SDoc
1020              -> [Inst]                  -- Wanted
1021              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1022
1023 tryHardCheckLoop doc wanteds
1024   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkInferRedEnv doc try_me) wanteds
1025        ; return (irreds,binds)
1026        }
1027   where
1028     try_me _ = ReduceMe
1029         -- Here's the try-hard bit
1030
1031 -----------------------------------------------------------
1032 gentleCheckLoop :: InstLoc
1033                -> [Inst]                -- Given
1034                -> [Inst]                -- Wanted
1035                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1036
1037 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1038   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1039        ; return (irreds,binds)
1040        }
1041   where
1042     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1043
1044     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1045                 | otherwise          = Stop
1046         -- When checking against a given signature 
1047         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1048
1049 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1050                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1051 gentleInferLoop doc wanteds
1052   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1053         ; return (irreds, binds) }
1054   where
1055     env = mkInferRedEnv doc try_me
1056     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1057                 | otherwise          = Stop
1058 \end{code}
1059
1060 Note [Check gently]
1061 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1062 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1063 Example:  
1064   data T a where
1065     MkT :: a -> T [a]
1066
1067   f :: Show b => T b -> b
1068   f (MkT x) = show [x]
1069
1070 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1071         b ~ [a]
1072 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1073 need it.  We are going to build an implication contraint
1074         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1075 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1076         
1077 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1078 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1079 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1080 work until top level, when we solve the implication constraint
1081 with tryHardCheckLooop.
1082
1083
1084 \begin{code}
1085 -----------------------------------------------------------
1086 checkLoop :: RedEnv
1087           -> [Inst]                     -- Wanted
1088           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1089 -- Precondition: givens are completely rigid
1090 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1091
1092 checkLoop env wanteds
1093   = go env wanteds
1094   where go env wanteds
1095           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1096                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1097                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1098         
1099                 ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env' wanteds'
1100
1101                 ; if null irreds || not improved then
1102                     return (irreds, binds)
1103                   else do
1104         
1105                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1106                 -- We start again with irreds, not wanteds
1107                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1108                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1109                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1110                 -- See Note [LOOP]
1111                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds
1112                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1113 \end{code}
1114
1115 Note [Zonking RedEnv]
1116 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1117 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1118 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1119 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1120 testsuite is
1121
1122   class Modular s a | s -> a
1123
1124   wim ::  forall a w. Integral a 
1125                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1126   wim i k = error "urk"
1127
1128   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1129   test5  =   error "urk"
1130
1131   test4   =   wim 4 test4'
1132
1133 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1134 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1135 whether the signature of test5 is an instance of 
1136
1137   (forall s. Modular s a => M s w)
1138
1139 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1140 givens. 
1141
1142 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1143 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1144 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1145 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1146 Unify.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1147
1148
1149 Note [LOOP]
1150 ~~~~~~~~~~~
1151         class If b t e r | b t e -> r
1152         instance If T t e t
1153         instance If F t e e
1154         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1155         instance Lte Z b T
1156         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1157
1158 Wanted: Max Z (S x) y
1159
1160 Then we'll reduce using the Max instance to:
1161         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1162 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1163 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1164 with (Max Z (S x) y)!
1165
1166
1167
1168 %************************************************************************
1169 %*                                                                      *
1170                 tcSimplifySuperClasses
1171 %*                                                                      *
1172 %************************************************************************
1173
1174 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1175 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1176 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1177 accidentally build a loop. Here's an example:
1178
1179   class S a
1180
1181   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1182   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1183   
1184   instance C Int where
1185      opc = opd
1186   
1187   instance D Int where
1188      opd = opc
1189
1190 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1191 Simplifying, we may well get:
1192         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1193         dd  = $dfDInt
1194         ds1 = $p1 dd
1195 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1196
1197 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1198
1199         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1200         dc  = $dfCInt
1201         ds2 = $p1 dc
1202
1203 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1204 Two more nasty cases are in
1205         tcrun021
1206         tcrun033
1207
1208 Solution: 
1209   - Satisfy the superclass context *all by itself* 
1210     (tcSimplifySuperClasses)
1211   - And do so completely; i.e. no left-over constraints
1212     to mix with the constraints arising from method declarations
1213
1214
1215 Note [Recursive instances and superclases]
1216 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1217 Consider this code, which arises in the context of "Scrap Your 
1218 Boilerplate with Class".  
1219
1220     class Sat a
1221     class Data ctx a
1222     instance  Sat (ctx Char)             => Data ctx Char
1223     instance (Sat (ctx [a]), Data ctx a) => Data ctx [a]
1224
1225     class Data Maybe a => Foo a
1226
1227     instance Foo t => Sat (Maybe t)
1228
1229     instance Data Maybe a => Foo a
1230     instance Foo a        => Foo [a]
1231     instance                 Foo [Char]
1232
1233 In the instance for Foo [a], when generating evidence for the superclasses
1234 (ie in tcSimplifySuperClasses) we need a superclass (Data Maybe [a]).
1235 Using the instance for Data, we therefore need
1236         (Sat (Maybe [a], Data Maybe a)
1237 But we are given (Foo a), and hence its superclass (Data Maybe a).
1238 So that leaves (Sat (Maybe [a])).  Using the instance for Sat means
1239 we need (Foo [a]).  And that is the very dictionary we are bulding
1240 an instance for!  So we must put that in the "givens".  So in this
1241 case we have
1242         Given:  Foo a, Foo [a]
1243         Watend: Data Maybe [a]
1244
1245 BUT we must *not not not* put the *superclasses* of (Foo [a]) in
1246 the givens, which is what 'addGiven' would normally do. Why? Because
1247 (Data Maybe [a]) is the superclass, so we'd "satisfy" the wanted 
1248 by selecting a superclass from Foo [a], which simply makes a loop.
1249
1250 On the other hand we *must* put the superclasses of (Foo a) in
1251 the givens, as you can see from the derivation described above.
1252
1253 Conclusion: in the very special case of tcSimplifySuperClasses
1254 we have one 'given' (namely the "this" dictionary) whose superclasses
1255 must not be added to 'givens' by addGiven.  That is the *whole* reason
1256 for the red_given_scs field in RedEnv, and the function argument to
1257 addGiven.
1258
1259 \begin{code}
1260 tcSimplifySuperClasses
1261         :: InstLoc 
1262         -> Inst         -- The dict whose superclasses 
1263                         -- are being figured out
1264         -> [Inst]       -- Given 
1265         -> [Inst]       -- Wanted
1266         -> TcM TcDictBinds
1267 tcSimplifySuperClasses loc this givens sc_wanteds
1268   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1269         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1270         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1271         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1272         ; return binds1 }
1273   where
1274     env =  RedEnv { red_doc = pprInstLoc loc, 
1275                     red_try_me = try_me,
1276                     red_givens = this:givens, 
1277                     red_given_scs = add_scs,
1278                     red_stack = (0,[]),
1279                     red_improve = False }  -- No unification vars
1280     add_scs g | g==this   = NoSCs
1281               | otherwise = AddSCs
1282
1283     try_me _ = ReduceMe  -- Try hard, so we completely solve the superclass 
1284                          -- constraints right here. See Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1285 \end{code}
1286
1287
1288 %************************************************************************
1289 %*                                                                      *
1290 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1291 %*                                                                      *
1292 %************************************************************************
1293
1294 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1295 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1296
1297 Eg1:    id = \x -> x
1298         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1299         
1300 Eg2:    eq = (==)
1301         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1302         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1303
1304 So, assume:
1305         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1306         RHS has constraints 'wanteds'
1307
1308 Plan A (simple)
1309   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1310   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1311   where we have         instance Monad (ST s) where...
1312   so there's no need to be monomorphic in s!
1313
1314   Also the constraint might be a method constraint,
1315   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1316           op :: Num a => a -> b -> a
1317   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1318         foo = op (3::Int)
1319   We want to infer the polymorphic type
1320         foo :: forall b. b -> b
1321
1322
1323 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1324   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1325   with Plan A's problem).  Then set
1326         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1327
1328   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1329   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1330   The reasons for this is to maximise sharing.
1331
1332   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1333   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1334   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1335   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1336   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1337   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1338   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1339
1340   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1341   the problem.
1342
1343
1344 Plan C (brutal)
1345   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1346   with Plan A's problem).  Then set
1347         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1348   Return the bindings from Step 1.
1349   
1350
1351 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1352 Consider this:
1353
1354       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1355
1356       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1357
1358       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1359       doDecodeIO codedValue view  
1360         = let { act = foo "foo" } in  act
1361
1362 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1363 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1364 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1365 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1366
1367 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1368 plan D
1369
1370
1371 Plan D (a variant of plan B)
1372   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1373   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1374         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1375
1376   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1377   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1378
1379   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1380   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1381   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1382   can always add a signature.  
1383
1384   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1385   improvement.
1386
1387
1388 \begin{code}
1389 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1390                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1391         :: SDoc
1392         -> TopLevelFlag
1393         -> [Name]               -- Things bound in this group
1394         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1395         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1396         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1397                 TcDictBinds)    -- Bindings
1398         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1399         -- quantify over; by definition there are none.
1400         -- They are all thrown back in the LIE
1401
1402 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1403         -- Zonk everything in sight
1404   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1405         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1406
1407         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1408         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1409         -- variables as possible, and we don't want to stop
1410         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1411         -- immediately, with no constraint on s.
1412         --
1413         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1414         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1415         --          a method Inst with an equality constraint
1416         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\_ -> ReduceMe)
1417         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds'
1418
1419         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1420         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1421         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1422         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1423
1424         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1425                                 -- As in tcSimplifyInfer
1426
1427                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1428                 -- this is the monomorphism restriction
1429               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1430               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1431               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1432
1433         -- Warn in the mono
1434         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1435         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1436                  (vcat[ ptext (sLit "the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1437                                 <> plural bndrs <+> ptext (sLit "for") <+> pp_bndrs,
1438                         ptext (sLit "Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1439
1440         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1441                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1442                 ppr _binds,
1443                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1444
1445         -- The first step may have squashed more methods than
1446         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1447         -- set of type variables to quantify over.
1448         --
1449         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1450         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1451         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1452         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1453         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1454         --
1455         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1456         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1457         -- just to float all constraints
1458         --
1459         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1460         -- expose implicit parameters to the test that follows
1461         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1462               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1463                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1464                           | otherwise                       = ReduceMe 
1465               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1466         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1467
1468         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1469         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1470           if is_nested_group then
1471                 extendLIEs irreds
1472           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1473                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1474                   ; extendLIEs non_ips }
1475
1476         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1477         ; return (qtvs', binds) }
1478 \end{code}
1479
1480
1481 %************************************************************************
1482 %*                                                                      *
1483                 tcSimplifyRuleLhs
1484 %*                                                                      *
1485 %************************************************************************
1486
1487 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1488 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1489 as the available stuff for the RHS of the rule.
1490
1491 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1492         
1493         f (x == y) (y > z) = ...
1494
1495 If we typecheck this expression we get constraints
1496
1497         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1498
1499 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1500
1501         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1502           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1503
1504 Instead we want 
1505
1506         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1507           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1508
1509 Here is another example:
1510
1511         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1512         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1513
1514 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1515 we *dont* want to get
1516
1517         forall dIntegralInt.
1518            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1519
1520 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1521
1522         forall dIntegralInt, dNumInt.
1523           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1524
1525 Even if we have 
1526
1527         g (x == y) (y == z) = ..
1528
1529 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1530
1531         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1532           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1533
1534 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1535 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1536
1537 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1538 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1539 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc.
1540 Simpler, maybe, but alas not simple (see Trac #2494)
1541
1542 * Type errors may give rise to an (unsatisfiable) equality constraint
1543
1544 * Applications of a higher-rank function on the LHS may give
1545   rise to an implication constraint, esp if there are unsatisfiable
1546   equality constraints inside.
1547
1548 \begin{code}
1549 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1550 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1551   = do  { wanteds' <- zonkInsts wanteds
1552         ; (irreds, binds) <- go [] emptyBag wanteds'
1553         ; let (dicts, bad_irreds) = partition isDict irreds
1554         ; traceTc (text "tcSimplifyrulelhs" <+> pprInsts bad_irreds)
1555         ; addNoInstanceErrs (nub bad_irreds)
1556                 -- The nub removes duplicates, which has
1557                 -- not happened otherwise (see notes above)
1558         ; return (dicts, binds) }
1559   where
1560     go :: [Inst] -> TcDictBinds -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1561     go irreds binds []
1562         = return (irreds, binds)
1563     go irreds binds (w:ws)
1564         | isDict w
1565         = go (w:irreds) binds ws
1566         | isImplicInst w        -- Have a go at reducing the implication
1567         = do { (binds1, irreds1) <- reduceImplication red_env w
1568              ; let (bad_irreds, ok_irreds) = partition isImplicInst irreds1
1569              ; go (bad_irreds ++ irreds) 
1570                   (binds `unionBags` binds1) 
1571                   (ok_irreds ++ ws)}
1572         | otherwise
1573         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1574                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1575              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1576              ; case lookup_result of
1577                  NoInstance      -> go (w:irreds) binds ws
1578                  GenInst ws' rhs -> go irreds binds' (ws' ++ ws)
1579                         where
1580                           binds' = addInstToDictBind binds w rhs
1581           }
1582
1583         -- Sigh: we need to reduce inside implications
1584     red_env = mkInferRedEnv doc try_me
1585     doc = ptext (sLit "Implication constraint in RULE lhs")
1586     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1587                 | otherwise          = Stop     -- Be gentle
1588 \end{code}
1589
1590 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1591 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1592 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1593 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1594 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1595 this bracket again at its usage site.
1596
1597 \begin{code}
1598 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1599 tcSimplifyBracket wanteds
1600   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1601         ; return () }
1602   where
1603     doc = text "tcSimplifyBracket"
1604 \end{code}
1605
1606
1607 %************************************************************************
1608 %*                                                                      *
1609 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1610 %*                                                                      *
1611 %************************************************************************
1612
1613 When we have
1614         let ?x = R in B
1615
1616 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1617 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1618
1619 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1620
1621         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1622         let ?x = 3 in f 'c'
1623
1624 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1625 force the binding for ?x to be of type Int.
1626
1627 \begin{code}
1628 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1629               -> [Inst]         -- Wanted
1630               -> TcM TcDictBinds
1631         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1632         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1633         --      let ?x = e in ?x
1634         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1635         -- makes them the same.
1636
1637 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1638   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1639         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1640                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1641
1642         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1643         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1644
1645         ; if not improved then 
1646                 ASSERT( all is_free irreds )
1647                 do { extendLIEs irreds
1648                    ; return binds }
1649           else
1650                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1651   where
1652     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1653     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1654     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1655
1656         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1657     try_me inst | is_free inst = Stop
1658                 | otherwise    = ReduceMe
1659 \end{code}
1660
1661
1662 %************************************************************************
1663 %*                                                                      *
1664 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1665 %*                                                                      *
1666 %************************************************************************
1667
1668 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1669 For example, we might have...
1670 \begin{verbatim}
1671 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1672     f.1 = f Int     -- two instances of f
1673     f.2 = f Float
1674  in
1675     (f.1 5, f.2 6.7)
1676 \end{verbatim}
1677 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1678 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1679 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1680 there, they would have unresolvable references to @f@.
1681
1682 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1683 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1684 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1685 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1686
1687 \begin{code}
1688 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1689 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1690 --      fm = f tys dicts
1691 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1692 --      d1 = d2
1693 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1694 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1695
1696 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1697   | null overloaded_ids = do
1698         -- Common case
1699     extendLIEs wanteds
1700     return emptyLHsBinds
1701
1702   | otherwise
1703   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1704         ; extendLIEs not_for_me 
1705         ; extendLIEs irreds
1706         ; return binds }
1707   where
1708     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1709     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1710     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1711     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1712
1713     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1714                                                 -- so it's worth building a set, so that
1715                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1716 \end{code}
1717
1718
1719 %************************************************************************
1720 %*                                                                      *
1721 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1722 %*                                                                      *
1723 %************************************************************************
1724
1725 The main control over context reduction is here
1726
1727 \begin{code}
1728 data RedEnv 
1729   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1730            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1731            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1732            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1733                                                 -- Always dicts & equalities
1734                                                 -- but see Note [Rigidity]
1735  
1736            , red_given_scs :: Inst -> WantSCs   -- See Note [Recursive instances and superclases]
1737  
1738            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1739                                                 -- See Note [RedStack]
1740   }
1741
1742 -- Note [Rigidity]
1743 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1744 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1745 --      let ?x = e in ...
1746 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1747 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1748
1749 -- Note [RedStack]
1750 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1751 -- 'n' is always the depth of the stack.
1752 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1753 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1754
1755
1756 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1757 mkRedEnv doc try_me givens
1758   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1759              red_givens = givens, 
1760              red_given_scs = const AddSCs,
1761              red_stack = (0,[]),
1762              red_improve = True }       
1763
1764 mkInferRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1765 -- No givens at all
1766 mkInferRedEnv doc try_me
1767   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1768              red_givens = [], 
1769              red_given_scs = const AddSCs,
1770              red_stack = (0,[]),
1771              red_improve = True }       
1772
1773 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1774 -- Do not do improvement; no givens
1775 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1776   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1777              red_givens = [], 
1778              red_given_scs = const AddSCs,
1779              red_stack = (0,[]),
1780              red_improve = True }       
1781
1782 data WhatToDo
1783  = ReduceMe     -- Try to reduce this
1784                 -- If there's no instance, add the inst to the 
1785                 -- irreductible ones, but don't produce an error 
1786                 -- message of any kind.
1787                 -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1788
1789  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1790                         -- be reduced to a constant in one step
1791                         -- Do not add superclasses; see 
1792
1793 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1794                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1795         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1796         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1797
1798 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1799 zonkRedEnv env
1800   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1801        ; return $ env {red_givens = givens'}
1802        }
1803 \end{code}
1804
1805
1806 %************************************************************************
1807 %*                                                                      *
1808 \subsection[reduce]{@reduce@}
1809 %*                                                                      *
1810 %************************************************************************
1811
1812 Note [Ancestor Equalities]
1813 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1814 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1815 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1816 class constraints.  Consider the following code
1817
1818   class a ~ Int => C a
1819   instance C Int
1820
1821 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1822 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1823 discharge with the explicit instance.
1824
1825 \begin{code}
1826 reduceContext :: RedEnv
1827               -> [Inst]                 -- Wanted
1828               -> TcM (ImprovementDone,
1829                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1830                       [Inst])           -- Irreducible
1831
1832 reduceContext env wanteds0
1833   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1834              text "----------------------",
1835              red_doc env,
1836              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1837              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1838              text "----------------------"
1839              ]))
1840
1841           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1842           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1843           -- See Note [Ancestor Equalities]
1844         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanteds0
1845         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1846
1847           -- Normalise and solve all equality constraints as far as possible
1848           -- and normalise all dictionary constraints wrt to the reduced
1849           -- equalities.  The returned wanted constraints include the
1850           -- irreducible wanted equalities.
1851         ; let wanteds = wanteds0 ++ ancestor_eqs
1852               givens  = red_givens env
1853         ; (givens', 
1854            wanteds', 
1855            normalise_binds,
1856            eq_improved)     <- tcReduceEqs givens wanteds
1857         ; traceTc $ text "reduceContext: tcReduceEqs result" <+> vcat
1858                       [ppr givens', ppr wanteds', ppr normalise_binds]
1859
1860           -- Build the Avail mapping from "given_dicts"
1861         ; (init_state, _) <- getLIE $ do 
1862                 { init_state <- foldlM (addGiven (red_given_scs env)) 
1863                                        emptyAvails givens'
1864                 ; return init_state
1865                 }
1866
1867           -- Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1868           -- This may expose some further equational constraints...
1869         ; let (wanted_implics, wanted_dicts) = partition isImplicInst wanteds'
1870         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1871         ; (dict_binds, 
1872            bound_dicts, 
1873            dict_irreds)       <- extractResults avails wanted_dicts
1874         ; traceTc $ text "reduceContext: extractResults" <+> vcat
1875                       [ppr avails, ppr wanted_dicts, ppr dict_binds]
1876
1877           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1878           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1879           --              *or* for which we now have bindings, 
1880           --              *or* which are now irreds
1881           -- NB: Equality irreds need to be converted, as the recursive 
1882           --     invocation of the solver will still treat them as wanteds
1883           --     otherwise.
1884         ; let implic_env = env { red_givens 
1885                                    = givens ++ bound_dicts ++
1886                                      map wantedToLocalEqInst dict_irreds }
1887         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) 
1888             <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics
1889         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1890               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1891
1892           -- Collect all irreducible instances, and determine whether we should
1893           -- go round again.  We do so in either of two cases:
1894           -- (1) If dictionary reduction or equality solving led to
1895           --     improvement (i.e., instantiated type variables).
1896           -- (2) If we uncovered extra equalities.  We will try to solve them
1897           --     in the next iteration.
1898
1899         ; let all_irreds       = dict_irreds ++ implic_irreds ++ extra_eqs
1900               avails_improved  = availsImproved avails
1901               improvedFlexible = avails_improved || eq_improved
1902               extraEqs         = (not . null) extra_eqs
1903               improved         = improvedFlexible || extraEqs
1904               --
1905               improvedHint  = (if avails_improved then " [AVAILS]" else "") ++
1906                               (if eq_improved then " [EQ]" else "") ++
1907                               (if extraEqs then " [EXTRA EQS]" else "")
1908
1909         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1910              text "----------------------",
1911              red_doc env,
1912              text "given" <+> ppr givens,
1913              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1914              text "----",
1915              text "avails" <+> pprAvails avails,
1916              text "improved =" <+> ppr improved <+> text improvedHint,
1917              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1918              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1919              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1920              text "----------------------"
1921              ]))
1922
1923         ; return (improved, 
1924                   normalise_binds `unionBags` dict_binds 
1925                                   `unionBags` implic_binds, 
1926                   all_irreds) 
1927         }
1928
1929 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1930 tcImproveOne avails inst
1931   | not (isDict inst) = return False
1932   | otherwise
1933   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1934         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1935                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1936                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1937                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1938                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1939                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1940                 -- It does not have duplicates (good)
1941                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in 
1942                 --    avails so that improve will see them separate
1943         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1944         ; unifyEqns eqns }
1945
1946 unifyEqns :: [(Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc))] 
1947           -> TcM ImprovementDone
1948 unifyEqns [] = return False
1949 unifyEqns eqns
1950   = do  { traceTc (ptext (sLit "Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1951         ; improved <- mapM unify eqns
1952         ; return $ or improved
1953         }
1954   where
1955     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1956          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ 
1957              do { let freeTyVars = unionVarSets (map tvs_pr pairs) 
1958                                    `minusVarSet` qtvs
1959                 ; (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1960                 ; mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1961                 ; anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems freeTyVars
1962                 }
1963
1964     unif_pr tenv (ty1, ty2) = unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1965
1966     tvs_pr (ty1, ty2) = tyVarsOfType ty1 `unionVarSet` tyVarsOfType ty2
1967
1968 pprEquationDoc :: (Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc)) -> SDoc
1969 pprEquationDoc (eqn, (p1, _), (p2, _)) 
1970   = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1971
1972 mkEqnMsg :: (TcPredType, SDoc) -> (TcPredType, SDoc) -> TidyEnv
1973          -> TcM (TidyEnv, SDoc)
1974 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1975   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1
1976         ; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1977         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'
1978               ; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1979         ; let msg = vcat [ptext (sLit "When using functional dependencies to combine"),
1980                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1981                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1982         ; return (tidy_env, msg) }
1983 \end{code}
1984
1985 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1986
1987 \begin{code}
1988 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1989 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1990   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1991         ; dopts <- getDOpts
1992         ; when (debugIsOn && (n > 8)) $ do
1993                 debugDumpTcRn (hang (ptext (sLit "Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1994                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1995         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1996             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1997           else
1998             go wanteds state }
1999   where
2000     go []     state = return state
2001     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
2002                          ; go ws state' }
2003
2004     -- Base case: we're done!
2005 reduce :: RedEnv -> Inst -> Avails -> TcM Avails
2006 reduce env wanted avails
2007
2008     -- We don't reduce equalities here (and they must not end up as irreds
2009     -- in the Avails!)
2010   | isEqInst wanted
2011   = return avails
2012
2013     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
2014   | Just _ <- findAvail avails wanted
2015   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
2016        ; return avails
2017        }
2018
2019   | otherwise
2020   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
2021         ; case red_try_me env wanted of {
2022             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
2023                         -- See Note [No superclasses for Stop]
2024
2025             ReduceMe -> do      -- It should be reduced
2026                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
2027                 ; case lookup_result of
2028                     NoInstance -> addIrred AddSCs avails wanted
2029                              -- Add it and its superclasses
2030                              
2031                     GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2032
2033                     GenInst wanteds' rhs
2034                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
2035                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
2036                                 ; addWanted AddSCs avails2 wanted rhs wanteds' } }
2037                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
2038                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
2039                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
2040                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2041                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
2042                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
2043                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
2044                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
2045     } }
2046   where
2047         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
2048         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
2049         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
2050     try_simple do_this_otherwise
2051       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
2052            ; case res of
2053                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2054                 _              -> do_this_otherwise avails wanted }
2055 \end{code}
2056
2057
2058 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2059 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2060 Consider 
2061     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2062     
2063     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2064         ZeroD     == ZeroD     = True
2065         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2066         _         == _         = False;
2067     
2068     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2069     equalDC = (==);
2070
2071 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2072
2073         d1 : Eq (D [])
2074
2075 by instance decl, holds if
2076         d2 : Eq [D []]
2077         where   d1 = dfEqD d2
2078
2079 by instance decl of Eq, holds if
2080         d3 : D []
2081         where   d2 = dfEqList d3
2082                 d1 = dfEqD d2
2083
2084 But now we can "tie the knot" to give
2085
2086         d3 = d1
2087         d2 = dfEqList d3
2088         d1 = dfEqD d2
2089
2090 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2091 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2092 contributing clauses.
2093         
2094 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2095 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2096 We need to be careful when adding "the constaint we are trying to prove".
2097 Suppose we are *given* d1:Ord a, and want to deduce (d2:C [a]) where
2098
2099         class Ord a => C a where
2100         instance Ord [a] => C [a] where ...
2101
2102 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2103 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2104 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2105 build a loop! 
2106
2107 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2108         class Monad m => C1 m
2109         class C1 m => C2 m x
2110         instance C2 Maybe Bool
2111 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2112 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2113 before we search for C1 Maybe.
2114
2115 Here's another example 
2116         class Eq b => Foo a b
2117         instance Eq a => Foo [a] a
2118 If we are reducing
2119         (Foo [t] t)
2120
2121 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2122 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2123
2124 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2125 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2126 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2127 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2128 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2129 first time, but reducible next time.
2130
2131 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2132 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2133
2134
2135
2136 %************************************************************************
2137 %*                                                                      *
2138                 Reducing a single constraint
2139 %*                                                                      *
2140 %************************************************************************
2141
2142 \begin{code}
2143 ---------------------------------------------
2144 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2145 reduceInst _ avails other_inst
2146   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2147         ; return (avails, result) }
2148 \end{code}
2149
2150 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2151 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2152
2153 An implication constraint is of the form 
2154         Given => Wanted 
2155 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2156 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2157 is distinct:
2158
2159 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2160    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2161    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2162    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2163
2164 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2165    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2166    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2167    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2168    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2169    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2170
2171 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2172 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2173 which are types.
2174
2175 \begin{code}
2176 ---------------------------------------------
2177 reduceImplication :: RedEnv
2178                   -> Inst
2179                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2180 \end{code}
2181
2182 Suppose we are simplifying the constraint
2183         forall bs. extras => wanted
2184 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2185
2186 Note that
2187   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2188         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2189                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2190
2191     This happens when you have something like
2192         data T a where
2193           T1 :: Eq a => a -> T a
2194
2195         f :: T a -> Int
2196         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2197
2198 \begin{code}
2199         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2200         --
2201         -- Note on coercion variables:
2202         --
2203         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2204         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2205         --              the solved equational constraints use these binders
2206         --
2207         --      -) at the solving site of the implication constraint
2208         --              the solved dictionaries use these binders               
2209         --              these binders are generated by reduceImplication
2210         --
2211 reduceImplication env
2212         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2213                                   tci_tyvars = tvs,
2214                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2215   = do  {       -- Solve the sub-problem
2216         ; let try_me _ = ReduceMe  -- Note [Freeness and implications]
2217               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2218                          , red_doc = sep [ptext (sLit "reduceImplication for") 
2219                                             <+> ppr name,
2220                                           nest 2 (parens $ ptext (sLit "within")
2221                                                            <+> red_doc env)]
2222                          , red_try_me = try_me }
2223
2224         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2225                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2226                           ppr wanteds])
2227         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2228         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2229                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2230                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2231                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2232
2233                 -- Note [Reducing implication constraints]
2234                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2235
2236         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2237                         [ppr irreds, ppr binds])
2238
2239         ; -- extract superclass binds
2240           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2241 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2242 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2243 --  
2244
2245         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2246         -- Then we must iterate the outer loop too!
2247
2248         ; let backOff = isEmptyLHsBinds binds &&   -- no new bindings
2249                         (not $ null irreds)   &&   -- but still some irreds
2250                         all (not . isEqInst) wanteds  
2251                           -- we may have instantiated a cotv 
2252                           -- => must make a new implication constraint!
2253
2254         ; traceTc $ text "reduceImplication condition" <+> ppr backOff
2255
2256           -- Progress is no longer measered by the number of bindings
2257         ; if backOff then       -- No progress
2258                 -- If there are any irreds, we back off and do nothing
2259                 return (emptyBag, [orig_implic])
2260           else do
2261         { (simpler_implic_insts, bind) 
2262             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2263                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2264                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2265                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2266                 -- when inferring types.
2267
2268         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2269                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2270                 --  we need a different evidence for given
2271                 --  equations depending on whether we solve
2272                 --  dictionary constraints or equational constraints
2273
2274                 eq_tyvars = varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2275                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2276                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2277                         --              it makes no difference
2278                 co  = wrap_inline       -- Note [Always inline implication constraints]
2279                       <.> mkWpTyLams tvs
2280                       <.> mkWpLams eq_tyvars
2281                       <.> mkWpLams dict_ids
2282                       <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2283                 wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2284                             | otherwise     = WpInline
2285                 rhs = mkLHsWrap co payload
2286                 loc = instLocSpan inst_loc
2287                 payload = mkBigLHsTup (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds)
2288
2289         
2290         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2291                          ppr simpler_implic_insts,
2292                          text "->" <+> ppr rhs])
2293         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) rhs)),
2294                   simpler_implic_insts)
2295         } 
2296     }
2297 reduceImplication _ i = pprPanic "reduceImplication" (ppr i)
2298 \end{code}
2299
2300 Note [Always inline implication constraints]
2301 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2302 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2303 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2304 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2305 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2306 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2307 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2308 there is no loss of sharing as a result.
2309
2310 Note [Freeness and implications]
2311 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2312 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2313         forall {} Eq a => Foo [a]
2314 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2315 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2316
2317 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2318 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2319         forall {a}. () => Bar b
2320 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2321 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2322 must be much more careful:
2323         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2324 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2325 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2326
2327 Here is an even more exotic example
2328         class C a => D a b
2329 Now consider the constraint
2330         forall b. D Int b => C Int
2331 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2332 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2333 the constraints!
2334
2335 One more example: the constraint
2336         class C a => D a b
2337         instance (C a, E c) => E (a,c)
2338
2339         constraint: forall b. D Int b => E (Int,c)
2340
2341 You might think that the (D Int b) can't possibly contribute
2342 to solving (E (Int,c)), since the latter mentions 'c'.  But 
2343 in fact it can, because solving the (E (Int,c)) constraint needs 
2344 dictionaries
2345         C Int, E c
2346 and the (C Int) can be satisfied from the superclass of (D Int b).
2347 So we must still not float (E (Int,c)) out.
2348
2349 To think about: special cases for unary type classes?
2350
2351 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2352 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2353 Suppose we are about to form the implication constraint
2354         forall tvs.  Eq a => Ord b
2355 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2356 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2357 But BE CAREFUL of the examples above in [Freeness and implications].
2358
2359 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2360 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2361 advantage of that at the moment.
2362
2363 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2364
2365
2366 %************************************************************************
2367 %*                                                                      *
2368                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2369 %*                                                                      *
2370 %************************************************************************
2371
2372
2373 \begin{code}
2374 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2375
2376 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2377                                 -- so some Irreds might now be reducible
2378                                 -- keys that are now 
2379
2380 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2381 data AvailHow
2382   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2383                         -- which are going to be lambda bound
2384
2385   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2386                         -- e.g. those "given" in a signature
2387
2388   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2389         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2390         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2391
2392 instance Outputable Avails where
2393   ppr = pprAvails
2394
2395 pprAvails :: Avails -> SDoc
2396 pprAvails (Avails imp avails)
2397   = vcat [ ptext (sLit "Avails") <> (if imp then ptext (sLit "[improved]") else empty)
2398          , nest 2 $ braces $ 
2399            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2400                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2401
2402 instance Outputable AvailHow where
2403     ppr = pprAvail
2404
2405 -------------------------
2406 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2407 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2408 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2409 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2410                                nest 2 (ppr rhs)]
2411
2412 -------------------------
2413 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2414 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2415
2416 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2417 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2418         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2419         --  *not* by unique.  So
2420         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2421
2422 emptyAvails :: Avails
2423 emptyAvails = Avails False emptyFM
2424
2425 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2426 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2427
2428 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2429 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2430
2431 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2432 -- Does improvement
2433 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2434   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2435         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2436
2437 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2438 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2439
2440 availsImproved :: Avails -> ImprovementDone
2441 availsImproved (Avails imp _) = imp
2442 \end{code}
2443
2444 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2445 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2446 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2447 dependency analyser can sort them out later
2448
2449 \begin{code}
2450 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2451 -- Tracks which things we have evidence for
2452
2453 extractResults :: Avails
2454                -> [Inst]                -- Wanted
2455                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2456                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2457                        [Inst])          -- Irreducible ones
2458                         -- Note [Reducing implication constraints]
2459
2460 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2461   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2462   where
2463     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2464         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2465         -> [Inst]       -- Irreds
2466         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2467         -> [Inst]       -- Wanted
2468         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2469     go binds bound_dicts irreds _ [] 
2470       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2471
2472     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2473       | isEqInst w
2474       = go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2475
2476       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2477       = if w_id `elem` done_ids then
2478            go binds bound_dicts irreds done ws
2479         else
2480            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2481               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2482
2483       | otherwise       -- Not yet done
2484       = case findAvailEnv avails w of
2485           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2486                      go binds bound_dicts irreds done ws
2487
2488           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2489
2490           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2491
2492           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2493                 where
2494                   g_id = instToId g
2495                   binds' | w_id == g_id = binds
2496                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2497       where
2498         w_id  = instToId w      
2499         done' = addToFM done w [w_id]
2500         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2501 \end{code}
2502
2503
2504 Note [No superclasses for Stop]
2505 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2506 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2507 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2508 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2509         df::Floating a
2510         dn::Num a
2511 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2512 here lest we lose sharing.
2513
2514 \begin{code}
2515 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2516 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2517   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2518   where
2519     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2520
2521 addGiven :: (Inst -> WantSCs) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2522 addGiven want_scs avails given = addAvailAndSCs (want_scs given) avails given (Given given)
2523         -- Conditionally add superclasses for 'givens'
2524         -- See Note [Recursive instances and superclases]
2525         --
2526         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2527         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2528         -- so the assert isn't true
2529 \end{code}
2530
2531 \begin{code}
2532 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2533 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2534                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2535
2536 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2537 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2538   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2539   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2540   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2541                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2542                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2543   where
2544     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2545                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2546     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2547     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2548
2549     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2550     -- Find all the Insts that this one depends on
2551     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2552     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2553     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2554     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2555     findAllDeps so_far _            = so_far
2556
2557     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2558     find_all so_far kid
2559       | isEqInst kid                       = so_far
2560       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2561       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2562       | otherwise                          = so_far'
2563       where
2564         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2565         kid_id = instToId kid
2566
2567 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2568         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2569         -- The first param says "don't do this because the original thing
2570         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2571         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2572
2573 addSCs is_loop avails dict
2574   = ASSERT( isDict dict )
2575     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2576         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2577   where
2578     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2579     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2580     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2581                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2582
2583     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2584       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2585       | is_given sc_dict           = return avails
2586       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2587                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2588       where
2589         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2590         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2591
2592     is_given :: Inst -> Bool
2593     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2594                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2595                           _              -> False
2596
2597 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2598 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2599 --
2600 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2601 ancestorEqualities
2602   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2603     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2604     . bagToList 
2605     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2606     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2607     . filter isClassDict
2608   where
2609     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2610     addAEsToBag bag []           = bag
2611     addAEsToBag bag (pred:preds)
2612       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2613       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2614       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2615       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2616       where
2617         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2618         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2619         --
2620         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2621         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2622 \end{code}
2623
2624
2625 %************************************************************************
2626 %*                                                                      *
2627 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2628 %*                                                                      *
2629 %************************************************************************
2630
2631
2632 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2633 and ambiguous Insts.
2634
2635 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2636
2637         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2638
2639 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2640 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2641
2642 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2643
2644
2645 \begin{code}
2646 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2647 tcSimplifyTop wanteds
2648   = tc_simplify_top doc False wanteds
2649   where 
2650     doc = text "tcSimplifyTop"
2651
2652 tcSimplifyInteractive wanteds
2653   = tc_simplify_top doc True wanteds
2654   where 
2655     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2656
2657 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2658 -- error message generation for the monomorphism restriction
2659 tc_simplify_top :: SDoc -> Bool -> [Inst] -> TcM (Bag (LHsBind TcId))
2660 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2661   = do  { dflags <- getDOpts
2662         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2663         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2664
2665         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2666         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2667 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2668         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2669         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\_ -> True) irreds1
2670         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2671
2672                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2673                 -- NB: irreds2 are already zonked
2674         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2675
2676                 -- Deal with implicit parameters
2677         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2678               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2679
2680         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2681                                 --                  f x = x + ?y
2682         ; addNoInstanceErrs others
2683         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2684
2685         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2686   where
2687     doc1 = doc <+> ptext (sLit "(first round)")
2688     doc2 = doc <+> ptext (sLit "(approximate)")
2689     doc3 = doc <+> ptext (sLit "(disambiguate)")
2690 \end{code}
2691
2692 If a dictionary constrains a type variable which is
2693         * not mentioned in the environment
2694         * and not mentioned in the type of the expression
2695 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2696 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2697 parameter to a function.
2698
2699 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2700 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2701 Specifically, if
2702         * at least one of its classes is a numeric class, and
2703         * all of its classes are numeric or standard
2704 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2705 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2706
2707 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2708 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2709 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2710 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2711
2712 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2713 the same type variable.
2714
2715 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2716 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2717 the most common use of defaulting is code like:
2718 \begin{verbatim}
2719         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2720 \end{verbatim}
2721 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2722 @void@.
2723
2724 \begin{code}
2725 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2726         -- Just does unification to fix the default types
2727         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2728 disambiguate doc interactive dflags insts
2729   | null insts
2730   = return (insts, emptyBag)
2731
2732   | null defaultable_groups
2733   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2734         ; return (insts, emptyBag) }
2735
2736   | otherwise
2737   = do  {       -- Figure out what default types to use
2738           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2739
2740         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2741         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2742
2743         -- disambigGroup does unification, hence try again
2744         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2745
2746   where
2747    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2748    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2749
2750    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2751    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2752    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2753    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2754
2755         -- Finds unary type-class constraints
2756    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2757         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2758    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2759
2760                 -- Group by type variable
2761    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2762    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2763    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2764
2765    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2766    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2767         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2768         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2769         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2770    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2771
2772    defaultable_classes clss 
2773         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2774         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2775
2776         -- In interactive mode, or with -XExtendedDefaultRules,
2777         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2778    isInteractiveClass cls 
2779         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2780
2781    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2782         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2783         -- when -foverloaded-strings is enabled
2784
2785    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2786         -- Similarly is_std_class
2787
2788 -----------------------
2789 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2790               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2791               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2792
2793 disambigGroup default_tys dicts
2794   = try_default default_tys
2795   where
2796     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2797     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2798
2799     try_default [] = return ()
2800     try_default (default_ty : default_tys)
2801       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2802         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2803                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2804                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2805                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2806                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2807                 -- default list is Int.
2808
2809                 -- After this we can't fail
2810            ; warnDefault dicts default_ty
2811            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2812            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2813            }
2814
2815
2816 -----------------------
2817 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2818 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2819   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2820         ; case mb_defaults of {
2821            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2822            Nothing  -> do
2823
2824         -- No use-supplied default
2825         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2826         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2827         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2828         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2829         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2830                         -- Note [Default unitTy]
2831                         ++
2832                   [integer_ty,doubleTy]
2833                         ++
2834                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2835   where
2836     opt_deflt True  ty = [ty]
2837     opt_deflt False _  = []
2838 \end{code}
2839
2840 Note [Default unitTy]
2841 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2842 In interative mode (or with -XExtendedDefaultRules) we add () as the first type we
2843 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2844 Consider: 
2845         Text.Printf.printf "hello"
2846 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2847 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2848 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2849 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2850 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2851
2852 Note [Avoiding spurious errors]
2853 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2854 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2855 type variables, and simply don't default them.  For example:
2856    f = (*)      -- Monomorphic
2857    g :: Num a => a -> a
2858    g x = f x x
2859 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2860 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2861 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2862 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2863 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2864
2865
2866 %************************************************************************
2867 %*                                                                      *
2868 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2869 %*                                                                      *
2870 %************************************************************************
2871
2872 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2873
2874 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2875 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2876 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2877
2878 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2879 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2880 instance declarations.
2881
2882 \begin{code}
2883 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2884                 -> [TyVar]      
2885                 -> ThetaType            -- Wanted
2886                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2887 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2888 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2889
2890 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2891   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2892         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2893         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2894         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2895         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2896         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2897
2898         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2899         ; addNoInstanceErrs others
2900         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2901
2902         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2903               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2904                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2905                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2906
2907         ; return simpl_theta }
2908   where
2909     doc = ptext (sLit "deriving classes for a data type")
2910
2911     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2912             | otherwise   = False
2913 \end{code}
2914
2915
2916 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2917 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2918 whether it worked or not.
2919
2920 \begin{code}
2921 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2922                   -> TcM ()
2923
2924 tcSimplifyDefault theta = do
2925     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
2926     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2927     addNoInstanceErrs  irreds
2928     if null irreds then
2929         return ()
2930      else
2931         traceTc (ptext (sLit "tcSimplifyDefault failing")) >> failM
2932   where
2933     doc = ptext (sLit "default declaration")
2934 \end{code}
2935
2936
2937 %************************************************************************
2938 %*                                                                      *
2939 \section{Errors and contexts}
2940 %*                                                                      *
2941 %************************************************************************
2942
2943 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2944 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2945 now?
2946
2947 \begin{code}
2948 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2949           -> [Inst]             -- The offending Insts
2950           -> TcM ()
2951 -- Group together insts with the same origin
2952 -- We want to report them together in error messages
2953
2954 groupErrs _ [] 
2955   = return ()
2956 groupErrs report_err (inst:insts)
2957   = do  { do_one (inst:friends)
2958         ; groupErrs report_err others }
2959   where
2960         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2961         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2962         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2963    (friends, others) = partition is_friend insts
2964    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2965    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2966    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2967                 -- Add location and context information derived from the Insts
2968
2969 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2970 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2971 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2972
2973 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2974 addTopIPErrs _ [] 
2975   = return ()
2976 addTopIPErrs bndrs ips
2977   = do  { dflags <- getDOpts
2978         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2979   where
2980     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2981     mk_msg dflags ips 
2982         = vcat [sep [ptext (sLit "Implicit parameters escape from"),
2983                 nest 2 (ptext (sLit "the monomorphic top-level binding") 
2984                                             <> plural bndrs <+> ptext (sLit "of")
2985                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2986                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2987                 monomorphism_fix dflags]
2988     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2989
2990 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2991 topIPErrs dicts
2992   = groupErrs report tidy_dicts
2993   where
2994     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2995     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2996     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext (sLit "Unbound implicit parameter") <> 
2997                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2998
2999 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3000                   -> TcM ()     
3001 addNoInstanceErrs insts
3002   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3003         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3004
3005 reportNoInstances 
3006         :: TidyEnv
3007         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3008                         -- Nothing => top level
3009                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3010                         --               with givens g
3011         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3012         -> TcM ()       
3013
3014 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3015   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3016
3017 report_no_instances :: TidyEnv -> Maybe (InstLoc, [Inst]) -> [Inst] -> TcM ()
3018 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3019   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3020        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3021              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3022              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3023        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3024                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3025        ; mapM_ complain_implic implics
3026        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3027        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3028        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3029        }
3030   where
3031     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3032
3033     complain_implic inst        -- Recurse!
3034       = reportNoInstances tidy_env 
3035                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3036                           (tci_wanted inst)
3037
3038     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3039         -- Right msg  => overlap message
3040         -- Left  inst => no instance
3041     check_overlap inst_envs wanted
3042         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3043         | otherwise
3044         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3045                 ([], _) -> Left wanted          -- No match
3046                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3047                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3048                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3049                 ([_],[])
3050                  | debugIsOn -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3051                 res -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3052           where
3053             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3054
3055     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3056       = ASSERT( not (null matches) )
3057         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext (sLit "Overlapping instances for") 
3058                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3059                 sep [ptext (sLit "Matching instances") <> colon,
3060                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3061                 if not (isSingleton matches)
3062                 then    -- Two or more matches
3063                      empty
3064                 else    -- One match, plus some unifiers
3065                 ASSERT( not (null unifiers) )
3066                 parens (vcat [ptext (sLit "The choice depends on the instantiation of") <+>
3067                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3068                               ptext (sLit "To pick the first instance above, use -XIncoherentInstances"),
3069                               ptext (sLit "when compiling the other instance declarations")])]
3070       where
3071         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3072
3073     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3074     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3075
3076     mk_no_inst_err insts
3077       | null insts = empty
3078
3079       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3080         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3081       = vcat [ addInstLoc insts $
3082                sep [ ptext (sLit "Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3083                    , nest 2 $ ptext (sLit "from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3084              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3085
3086       | otherwise       -- Top level 
3087       = vcat [ addInstLoc insts $
3088                ptext (sLit "No instance") <> plural insts
3089                     <+> ptext (sLit "for") <+> pprDictsTheta insts
3090              , show_fixes fixes2 ]
3091
3092       where
3093         fix1 loc = sep [ ptext (sLit "add") <+> pprDictsTheta insts
3094                                  <+> ptext (sLit "to the context of"),
3095                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3096                          -- I'm not sure it helps to add the location
3097                          -- nest 2 (ptext (sLit "at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3098
3099         fixes2 | null instance_dicts = []
3100                | otherwise           = [sep [ptext (sLit "add an instance declaration for"),
3101                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3102         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3103                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3104                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3105
3106         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3107         show_fixes []     = empty
3108         show_fixes (f:fs) = sep [ptext (sLit "Possible fix:"), 
3109                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext (sLit "or") <+>) fs))]
3110
3111 addTopAmbigErrs :: [Inst] -> TcRn ()
3112 addTopAmbigErrs dicts
3113 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3114   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3115                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3116     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3117   where
3118     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3119
3120     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3121     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3122     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3123     
3124     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3125     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3126           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3127           setSrcSpan (instSpan inst) $
3128                 -- the location of the first one will do for the err message
3129            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3130         where
3131           dicts = map fst pairs
3132           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3133                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3134                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3135           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3136     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3137
3138
3139 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3140 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3141 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3142 -- Try to identify the offending variable
3143 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3144 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3145   = do  { dflags <- getDOpts
3146         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3147         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3148   where
3149     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3150         =  vcat [ptext (sLit "Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3151                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3152                 ptext (sLit "Use :print or :force to determine these types")]
3153     mk_msg _ []   = ptext (sLit "Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3154                         -- This happens in things like
3155                         --      f x = show (read "foo")
3156                         -- where monomorphism doesn't play any role
3157     mk_msg dflags docs 
3158         = vcat [ptext (sLit "Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3159                 nest 2 (vcat docs),
3160                 monomorphism_fix dflags]
3161
3162 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3163 monomorphism_fix dflags
3164   = ptext (sLit "Probable fix:") <+> vcat
3165         [ptext (sLit "give these definition(s) an explicit type signature"),
3166          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3167            then ptext (sLit "or use -XNoMonomorphismRestriction")
3168            else empty]  -- Only suggest adding "-XNoMonomorphismRestriction"
3169                         -- if it is not already set!
3170     
3171 warnDefault :: [(Inst, Class, Var)] -> Type -> TcM ()
3172 warnDefault ups default_ty = do
3173     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3174     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3175   where
3176     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3177
3178         -- Tidy them first
3179     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3180     warn_msg  = vcat [ptext (sLit "Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3181                                 quotes (ppr default_ty),
3182                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3183
3184 reduceDepthErr :: Int -> [Inst] -> SDoc
3185 reduceDepthErr n stack
3186   = vcat [ptext (sLit "Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3187           ptext (sLit "Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3188           nest 4 (pprStack stack)]
3189
3190 pprStack :: [Inst] -> SDoc
3191 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3192 \end{code}