Remove GADT refinements, part 3
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 {-# OPTIONS -w #-}
10 -- The above warning supression flag is a temporary kludge.
11 -- While working on this module you are encouraged to remove it and fix
12 -- any warnings in the module. See
13 --     http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/Commentary/CodingStyle#Warnings
14 -- for details
15
16 module TcSimplify (
17         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
18         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
19         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
20         tcSimplifySuperClasses,
21         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
22         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
23
24         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
25         bindInstsOfLocalFuns, 
26
27         misMatchMsg
28     ) where
29
30 #include "HsVersions.h"
31
32 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
33 import HsSyn
34
35 import TcRnMonad
36 import Inst
37 import TcEnv
38 import InstEnv
39 import TcType
40 import TcMType
41 import TcIface
42 import TcTyFuns
43 import TypeRep
44 import Var
45 import Name
46 import NameSet
47 import Class
48 import FunDeps
49 import PrelInfo
50 import PrelNames
51 import Type
52 import TysWiredIn
53 import ErrUtils
54 import BasicTypes
55 import VarSet
56 import VarEnv
57 import Module
58 import FiniteMap
59 import Bag
60 import Outputable
61 import Maybes
62 import ListSetOps
63 import Util
64 import UniqSet
65 import SrcLoc
66 import DynFlags
67
68 import Data.List
69 \end{code}
70
71
72 %************************************************************************
73 %*                                                                      *
74 \subsection{NOTES}
75 %*                                                                      *
76 %************************************************************************
77
78         --------------------------------------
79         Notes on functional dependencies (a bug)
80         --------------------------------------
81
82 Consider this:
83
84         class C a b | a -> b
85         class D a b | a -> b
86
87         instance D a b => C a b -- Undecidable 
88                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
89         f :: C a b => a -> Bool
90         f _ = True
91         
92         g :: C a b => a -> Bool
93         g = f
94
95 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
96 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
97
98 Here is a more complicated example:
99
100 | > class Foo a b | a->b
101 | >
102 | > class Bar a b | a->b
103 | >
104 | > data Obj = Obj
105 | >
106 | > instance Bar Obj Obj
107 | >
108 | > instance (Bar a b) => Foo a b
109 | >
110 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
111 | > foo _ = "works"
112 | >
113 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
114 | > runFoo f = f Obj
115
116 | *Test> runFoo foo
117
118 | <interactive>:1:
119 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
120 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
121 |     Probable fix:
122 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
123 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
124 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
125
126 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
127 | function foo didn't ask for that... 
128
129 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
130
131         Given constraint        Foo a b
132         Solve constraint        Foo a b'
133
134 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
135 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
136         simplify constraints
137         apply improvement
138         and loop
139
140 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
141 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
142 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
143 from.
144
145 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
146 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
147
148 Note [Choosing which variables to quantify]
149 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
150 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
151
152         G       the environment
153         T       the type of the RHS
154         C       the constraints from that RHS
155
156 The game is to figure out
157
158         Q       the set of type variables over which to quantify
159         Ct      the constraints we will *not* quantify over
160         Cq      the constraints we will quantify over
161
162 So we're going to infer the type
163
164         forall Q. Cq => T
165
166 and float the constraints Ct further outwards.
167
168 Here are the things that *must* be true:
169
170  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
171  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
172
173  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
174  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
175      we won't get a sufficiently general type.  
176
177 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
178 free vars of the environment G.
179
180         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
181
182 Example:        class H x y | x->y where ...
183
184         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
185                         T = c -> b
186
187         (A)  Q intersect {a} is empty
188         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
189
190         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
191
192 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
193 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
194 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
195 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
196
197 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
198 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
199 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
200 choose Q:
201
202         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
203
204 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
205 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
206 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
207 albeit perhaps too many.
208
209 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
210
211         class H x y | x->y where ...
212
213         T = c->c
214         C = (H c d)
215
216   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
217
218         forall c. H c d => c -> b
219
220   And then if the fn was called at several different c's, each of
221   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
222   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
223   everything that might be influenced by c.
224
225 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
226 all the functional dependencies yet:
227
228         class H x y | x->y where ...
229         instance H x y => Eq (T x y) where ...
230
231         T = c->c
232         C = (Eq (T c d))
233
234 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
235 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
236
237 There really isn't any point in quantifying over any more than
238 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
239 any other type variables.
240
241
242
243 -------------------------------------
244         Note [Ambiguity]
245 -------------------------------------
246
247 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
248
249         class K x
250         class H x y | x -> y
251         instance H x y => K (x,y)
252
253 Is this type ambiguous?
254         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
255
256 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
257 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
258 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
259 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
260
261 Here's another example: is this ambiguous?
262         forall a b. Eq (T b) => a -> a
263 Not if there's an insance decl (with no context)
264         instance Eq (T b) where ...
265
266 You may say of this example that we should use the instance decl right
267 away, but you can't always do that:
268
269         class J a b where ...
270         instance J Int b where ...
271
272         f :: forall a b. J a b => a -> a
273
274 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
275 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
276 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
277 when inferring a type for f.
278
279
280
281 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
282 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
283 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
284
285 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
286
287         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
288
289 (all tested before quantification).
290 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
291 in the environment, or by the variables in the type.
292
293 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
294
295         class J a b c | a b -> c
296         fv(G) = {a}
297
298 Is this ambiguous?
299         forall b c. (J a b c) => b -> b
300
301 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
302 do we see that c is fixed.
303
304 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
305 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
306 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
307 only issue a warning.
308
309
310 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
311
312         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
313
314 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
315 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
316 the nasty example?
317
318         class K x
319         class H x y | x -> y
320         instance H x y => K (x,y)
321
322 Is this type ambiguous?
323         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
324
325 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
326 is a "bubble" that's a set of constraints
327
328         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
329
330 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
331 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
332 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
333 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
334 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
335
336
337         --------------------------------------
338                 Notes on principal types
339         --------------------------------------
340
341     class C a where
342       op :: a -> a
343
344     f x = let g y = op (y::Int) in True
345
346 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
347 but we'll produce the non-principal type
348     f :: forall a. C Int => a -> a
349
350
351         --------------------------------------
352         The need for forall's in constraints
353         --------------------------------------
354
355 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
356
357   class C t where op :: t -> Bool
358   instance C [t] where op x = True
359
360   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
361   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
362
363 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
364 the pair on their right-hand sides.  And yet:
365
366   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
367   Hugs rejects q, but accepts p;
368   hbc rejects both p and q;
369   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
370
371 The type signature for f forces context reduction to take place, and
372 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
373 which in turn depends on which component of the pair the type checker
374 analyzes first.  
375
376 Solution: if y::m a, float out the constraints
377         Monad m, forall c. C (m c)
378 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
379
380
381         --------------------------------------
382                 Notes on implicit parameters
383         --------------------------------------
384
385 Note [Inheriting implicit parameters]
386 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
387 Consider this:
388
389         f x = (x::Int) + ?y
390
391 where f is *not* a top-level binding.
392 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
393 There are two types we might infer for f:
394
395         f :: Int -> Int
396
397 (so we get ?y from the context of f's definition), or
398
399         f :: (?y::Int) => Int -> Int
400
401 At first you might think the first was better, becuase then
402 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
403 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
404 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
405 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
406
407 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
408 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
409
410
411 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
412 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
413 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
414 An *implicit parameter* cannot.  For example:
415         foo :: (?x :: [a]) => Int
416         foo = length ?x
417 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
418
419 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
420 propagate to the others.  E.g.
421         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
422         foo = show (?x++?x)
423 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
424 we might have
425         let ?x = 5::Int in foo
426 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
427 so we can take their type variables into account as part of the
428 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
429
430
431 Question 2: type signatures
432 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
433 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
434 to quantify over implicit parameters.  For example:
435
436         (?x + 1) :: Int
437
438 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
439
440         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
441
442 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
443 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
444 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
445 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
446
447 What about when you supply a type signature for a binding?
448 Is it legal to give the following explicit, user type 
449 signature to f, thus:
450
451         f :: Int -> Int
452         f x = (x::Int) + ?y
453
454 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
455 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
456 Consider this:
457
458         (let f x = (x::Int) + ?y
459          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
460
461                 returns (3+6, 3+5)
462 vs
463         (let f :: Int -> Int
464              f x = x + ?y
465          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
466
467                 returns (3+6, 3+6)
468
469 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
470 dynamic semantics.
471
472 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
473 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
474 change the typing you may change the semantics.
475
476 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
477 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
478 rule: 
479
480         a signature does not need to quantify over implicit params.
481
482 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
483 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
484 params for the reasons mentioned above.]
485
486 But that raises a new question.  Consider 
487
488         Given (signature)       ?x::Int
489         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
490
491 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
492 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
493 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
494 to float a constraint that
495         neither mentions any of the quantified type variables
496         nor any of the quantified implicit parameters
497
498 See the predicate isFreeWhenChecking.
499
500
501 Question 3: monomorphism
502 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
503 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
504
505         z = (x::Int) + ?y
506
507 The argument above suggests that we *must* generalise
508 over the ?y parameter, to get
509         z :: (?y::Int) => Int,
510 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
511         z :: Int.
512 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
513
514         let z = x + ?y in z+z
515
516 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
517 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
518
519
520 Question 4: top level
521 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
522 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
523
524     module Main where
525         main = let ?x = 5 in print foo
526
527         foo = woggle 3
528
529         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
530         woggle y = ?x + y
531
532 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
533 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
534
535
536 Possible choices
537 ~~~~~~~~~~~~~~~~
538 (A) Always generalise over implicit parameters
539     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
540         be generalised
541
542     Consequences:
543         * Inlining remains valid
544         * No unexpected loss of sharing
545         * But simple bindings like
546                 z = ?y + 1
547           will be rejected, unless you add an explicit type signature
548           (to avoid the monomorphism restriction)
549                 z :: (?y::Int) => Int
550                 z = ?y + 1
551           This seems unacceptable
552
553 (B) Monomorphism restriction "wins"
554     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
555         be generalised
556     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
557         that fall under the monomorphism restriction
558
559     Consequences
560         * Inlining isn't valid in general
561         * No unexpected loss of sharing
562         * Simple bindings like
563                 z = ?y + 1
564           accepted (get value of ?y from binding site)
565
566 (C) Always generalise over implicit parameters
567     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
568         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
569     Consequences
570         * Inlining remains valid
571         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
572         * Simple bindings like
573                 z = ?y + 1
574           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
575
576
577 Discussion
578 ~~~~~~~~~~
579 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
580 decide which we want to do.
581
582 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
583
584         z = (x::Int) + ?y
585
586 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
587 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
588 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
589 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
590 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
591 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
592
593 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
594 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
595 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
596 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
597 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
598 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
599 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
600 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
601 restriction altogether.
602
603 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
604
605
606
607 %************************************************************************
608 %*                                                                      *
609 \subsection{tcSimplifyInfer}
610 %*                                                                      *
611 %************************************************************************
612
613 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
614
615     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
616
617     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
618        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
619
620     3. Try improvement, using functional dependencies
621
622     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
623        (Unification can change the result of 'grow'.)
624
625 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
626 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
627 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
628 type variables than we absolutely have to.
629
630 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
631 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
632
633         class C x y | x->y where ...
634
635 and tcSimplify is called with:
636         (C Int a, C Int b)
637 Then improvement unifies a with b, giving
638         (C Int a, C Int a)
639
640 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
641 again.
642
643
644 \begin{code}
645 tcSimplifyInfer
646         :: SDoc
647         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
648         -> [Inst]               -- Wanted
649         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
650                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
651                 TcDictBinds)    -- Bindings
652         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
653 \end{code}
654
655
656 \begin{code}
657 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
658   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
659         ; wanted'  <- mapM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
660         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
661         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
662               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
663               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
664                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
665
666                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
667                 -- constraints that don't mention qtvs at all
668         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
669         ; extendLIEs free
670
671                 -- To make types simple, reduce as much as possible
672         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
673                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
674         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
675
676                 -- Note [Inference and implication constraints]
677         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
678         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
679
680                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
681                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
682                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
683                 --    quantify over any variable free in the environment
684                 --    tc137 (function h inside g) is an example
685                 --
686                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
687                 --    mention quantified type variables, because they are
688                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
689                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
690                 --      g x = fst (f x)
691                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
692                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
693                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
694                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
695                 --    See test tcfail181
696                 --
697                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
698                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
699                 --          wanteds = Foo [a]
700                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
701                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
702         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
703         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
704                 -- Note that we start from gbl_tvs1
705                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
706                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
707                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
708                 --              gbl_tvs = {a}
709                 --              tau_tvs = {b}
710                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
711                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
712         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
713               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
714         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
715         ; extendLIEs free
716
717                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
718         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
719
720                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
721                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
722         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
723         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
724         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
725
726                 -- Prepare equality instances for quantification
727         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
728         ; q_eqs <- mapM finalizeEqInst q_eqs0
729
730         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
731         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
732         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
733
734 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
735 -- Note [Inference and implication constraints]
736 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
737 --      - fetching any dicts inside them that are free
738 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
739 --      - returning the extra ones too
740
741 approximateImplications doc want_dict irreds
742   | null extra_dicts 
743   = return (irreds, emptyBag)
744   | otherwise
745   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
746         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
747                 -- By adding extra_dicts', we make them 
748                 -- available to solve the implication constraints
749   where 
750     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
751
752     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
753         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
754         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
755     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
756
757     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
758                          | otherwise   = []
759     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
760         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
761               , d <- get_dicts wanteds 
762               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
763     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
764                            | otherwise   = [] 
765     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
766 \end{code}
767
768 Note [Inference and implication constraints]
769 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
770 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
771 a nested pattern match) like
772         C a => D [a]
773 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
774 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
775         instance (C a, E a) => D [a]
776 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
777 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
778 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
779 with 'given' implications.
780
781 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
782 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
783 the strange function get_dicts in approximateImplications.
784
785 The common cases are more clear-cut, when we have things like
786         forall a. C a => C b
787 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
788 Note [Freeness and implications].
789  
790 See Trac #1430 and test tc228.
791
792
793 \begin{code}
794 -----------------------------------------------------------
795 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
796 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
797 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
798 tcSimplifyInferCheck
799          :: InstLoc
800          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
801          -> [Inst]              -- Given
802          -> [Inst]              -- Wanted
803          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
804                  TcDictBinds)   -- Bindings
805
806 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
807   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
808         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
809
810         -- Figure out which type variables to quantify over
811         -- You might think it should just be the signature tyvars,
812         -- but in bizarre cases you can get extra ones
813         --      f :: forall a. Num a => a -> a
814         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
815         --      g a b = (b,a)
816         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
817         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
818         -- f isn't quantified over b.
819         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
820         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
821         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
822         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
823                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
824                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
825                 -- dictionaries, we quantify over
826
827         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
828
829                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
830         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
831
832         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
833         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
834 \end{code}
835
836 Note [Squashing methods]
837 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
838 Be careful if you want to float methods more:
839         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
840 From an application (truncate f i) we get
841         t1 = truncate at f
842         t2 = t1 at i
843 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
844         t3 = truncate at f
845         t4 = t3 at i
846 When simplifying with i,f free, we might still notice that
847 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
848 may continue to float out!
849
850
851 Note [NO TYVARS]
852 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
853         class Y a b | a -> b where
854             y :: a -> X b
855         
856         instance Y [[a]] a where
857             y ((x:_):_) = X x
858         
859         k :: X a -> X a -> X a
860
861         g :: Num a => [X a] -> [X a]
862         g xs = h xs
863             where
864             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
865
866 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
867 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
868 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
869 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
870 polymorphic in.  
871
872 The net effect of [NO TYVARS] 
873
874 \begin{code}
875 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
876 isFreeWhenInferring qtvs inst
877   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
878   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
879                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
880
881 {-      No longer used (with implication constraints)
882 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
883                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
884                    -> Inst -> Bool
885 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
886   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
887   && isFreeWrtIPs    ips inst
888 -}
889
890 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
891 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
892 \end{code}
893
894
895 %************************************************************************
896 %*                                                                      *
897 \subsection{tcSimplifyCheck}
898 %*                                                                      *
899 %************************************************************************
900
901 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
902 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
903
904 \begin{code}
905 -----------------------------------------------------------
906 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
907 -- class decls, instance decls etc.
908 tcSimplifyCheck :: InstLoc
909                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
910                 -> [Inst]               -- Given
911                 -> [Inst]               -- Wanted
912                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
913 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
914   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
915     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
916         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
917         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
918         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
919
920 -----------------------------------------------------------
921 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
922 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
923                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
924                    -> [Inst]            -- Given
925                    -> [Inst]            -- Wanted
926                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
927 tcSimplifyCheckPat loc qtvs givens wanteds
928   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
929     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
930         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
931         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs givens irreds
932         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
933
934 -----------------------------------------------------------
935 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
936            -> [Inst] -> [Inst]
937            -> TcM TcDictBinds
938 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
939   = bindIrredsR loc qtvs givens irreds
940
941 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [Inst] -> [Inst] -> TcM TcDictBinds      
942 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
943 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
944 bindIrredsR loc qtvs givens irreds
945   | null irreds
946   = return emptyBag
947   | otherwise
948   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
949                 -- The givens can (redundantly) include methods
950                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
951                 -- There should be no implicadtion constraints
952                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
953
954            -- If there are no 'givens', then it's safe to 
955            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
956            -- See Note [Freeness and implications]
957         ; irreds' <- if null givens'
958                      then do
959                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
960                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
961                         ; extendLIEs frees
962                         ; return real_irreds }
963                      else return irreds
964         
965         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc qtvs givens' irreds'
966                         -- This call does the real work
967                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
968         ; extendLIEs implics
969         ; return bind } 
970
971
972 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar]
973                     -> [Inst] -> [Inst]
974                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
975 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
976 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
977 -- The binding looks like
978 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
979 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
980 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
981 -- qtvs includes coercion variables
982 --
983 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
984 makeImplicationBind loc all_tvs
985                     givens      -- Guaranteed all Dicts
986                                 -- or EqInsts
987                     irreds
988  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
989  = return ([], emptyBag)
990  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
991  = do   { uniq <- newUnique 
992         ; span <- getSrcSpanM
993         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
994               eq_tyvar_cos = mkTyVarTys (varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens)
995                 -- Urgh! See line 2187 or thereabouts.  I believe that all these
996                 -- 'givens' must be a simple CoVar.  This MUST be cleaned up.
997
998         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
999               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
1000                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1001                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1002                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
1003         ; let   -- only create binder for dict_irreds
1004               (eq_irreds, dict_irreds) = partition isEqInst irreds
1005               n_dict_irreds = length dict_irreds
1006               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1007               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_dict_irreds (map idType dict_irred_ids)
1008               pat = TuplePat (map nlVarPat dict_irred_ids) Boxed tup_ty
1009               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1010               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens)
1011                     <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos
1012                     <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1013               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1014                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
1015                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1016                                                   pat_rhs_ty = tup_ty,
1017                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1018         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1019         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1020         }
1021
1022 -----------------------------------------------------------
1023 tryHardCheckLoop :: SDoc
1024              -> [Inst]                  -- Wanted
1025              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1026
1027 tryHardCheckLoop doc wanteds
1028   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
1029        ; return (irreds,binds)
1030        }
1031   where
1032     try_me inst = ReduceMe AddSCs
1033         -- Here's the try-hard bit
1034
1035 -----------------------------------------------------------
1036 gentleCheckLoop :: InstLoc
1037                -> [Inst]                -- Given
1038                -> [Inst]                -- Wanted
1039                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1040
1041 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1042   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1043        ; return (irreds,binds)
1044        }
1045   where
1046     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1047
1048     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1049                 | otherwise          = Stop
1050         -- When checking against a given signature 
1051         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1052
1053 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1054                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1055 gentleInferLoop doc wanteds
1056   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1057         ; return (irreds, binds) }
1058   where
1059     env = mkRedEnv doc try_me []
1060     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1061                 | otherwise          = Stop
1062 \end{code}
1063
1064 Note [Check gently]
1065 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1066 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1067 Example:  
1068   data T a where
1069     MkT :: a -> T [a]
1070
1071   f :: Show b => T b -> b
1072   f (MkT x) = show [x]
1073
1074 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1075         b ~ [a]
1076 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1077 need it.  We are going to build an implication contraint
1078         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1079 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1080         
1081 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1082 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1083 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1084 work until top level, when we solve the implication constraint
1085 with tryHardCheckLooop.
1086
1087
1088 \begin{code}
1089 -----------------------------------------------------------
1090 checkLoop :: RedEnv
1091           -> [Inst]                     -- Wanted
1092           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1093 -- Precondition: givens are completely rigid
1094 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1095
1096 checkLoop env wanteds
1097   = go env wanteds (return ())
1098   where go env wanteds elim_skolems
1099           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1100                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1101                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1102         
1103                 ; (improved, binds, irreds, elim_more_skolems)
1104                     <- reduceContext env' wanteds'
1105                 ; let elim_skolems' = elim_skolems >> elim_more_skolems
1106
1107                 ; if not improved then
1108                     elim_skolems' >> return (irreds, binds)
1109                   else do
1110         
1111                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1112                 -- We start again with irreds, not wanteds
1113                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1114                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1115                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1116                 -- See Note [LOOP]
1117                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds elim_skolems'
1118                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1119 \end{code}
1120
1121 Note [Zonking RedEnv]
1122 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1123 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1124 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1125 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1126 testsuite is
1127
1128   class Modular s a | s -> a
1129
1130   wim ::  forall a w. Integral a 
1131                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1132   wim i k = error "urk"
1133
1134   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1135   test5  =   error "urk"
1136
1137   test4   =   wim 4 test4'
1138
1139 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1140 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1141 whether the signature of test5 is an instance of 
1142
1143   (forall s. Modular s a => M s w)
1144
1145 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1146 givens. 
1147
1148 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1149 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1150 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1151 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1152 TcGadt.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1153
1154
1155 Note [LOOP]
1156 ~~~~~~~~~~~
1157         class If b t e r | b t e -> r
1158         instance If T t e t
1159         instance If F t e e
1160         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1161         instance Lte Z b T
1162         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1163
1164 Wanted: Max Z (S x) y
1165
1166 Then we'll reduce using the Max instance to:
1167         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1168 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1169 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1170 with (Max Z (S x) y)!
1171
1172
1173
1174 %************************************************************************
1175 %*                                                                      *
1176                 tcSimplifySuperClasses
1177 %*                                                                      *
1178 %************************************************************************
1179
1180 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1181 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1182 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1183 accidentally build a loop. Here's an example:
1184
1185   class S a
1186
1187   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1188   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1189   
1190   instance C Int where
1191      opc = opd
1192   
1193   instance D Int where
1194      opd = opc
1195
1196 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1197 Simplifying, we may well get:
1198         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1199         dd  = $dfDInt
1200         ds1 = $p1 dd
1201 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1202
1203 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1204
1205         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1206         dc  = $dfCInt
1207         ds2 = $p1 dc
1208
1209 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1210
1211 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1212 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1213
1214 Two more nasty cases are in
1215         tcrun021
1216         tcrun033
1217
1218 \begin{code}
1219 tcSimplifySuperClasses 
1220         :: InstLoc 
1221         -> [Inst]       -- Given 
1222         -> [Inst]       -- Wanted
1223         -> TcM TcDictBinds
1224 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1225   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1226         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1227         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1228         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1229         ; return binds1 }
1230   where
1231     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1232     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1233         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1234 \end{code}
1235
1236
1237 %************************************************************************
1238 %*                                                                      *
1239 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1240 %*                                                                      *
1241 %************************************************************************
1242
1243 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1244 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1245
1246 Eg1:    id = \x -> x
1247         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1248         
1249 Eg2:    eq = (==)
1250         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1251         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1252
1253 So, assume:
1254         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1255         RHS has constraints 'wanteds'
1256
1257 Plan A (simple)
1258   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1259   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1260   where we have         instance Monad (ST s) where...
1261   so there's no need to be monomorphic in s!
1262
1263   Also the constraint might be a method constraint,
1264   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1265           op :: Num a => a -> b -> a
1266   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1267         foo = op (3::Int)
1268   We want to infer the polymorphic type
1269         foo :: forall b. b -> b
1270
1271
1272 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1273   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1274   with Plan A's problem).  Then set
1275         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1276
1277   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1278   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1279   The reasons for this is to maximise sharing.
1280
1281   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1282   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1283   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1284   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1285   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1286   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1287   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1288
1289   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1290   the problem.
1291
1292
1293 Plan C (brutal)
1294   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1295   with Plan A's problem).  Then set
1296         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1297   Return the bindings from Step 1.
1298   
1299
1300 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1301 Consider this:
1302
1303       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1304
1305       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1306
1307       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1308       doDecodeIO codedValue view  
1309         = let { act = foo "foo" } in  act
1310
1311 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1312 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1313 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1314 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1315
1316 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1317 plan D
1318
1319
1320 Plan D (a variant of plan B)
1321   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1322   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1323         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1324
1325   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1326   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1327
1328   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1329   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1330   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1331   can always add a signature.  
1332
1333   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1334   improvement.
1335
1336
1337 \begin{code}
1338 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1339                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1340         :: SDoc
1341         -> TopLevelFlag
1342         -> [Name]               -- Things bound in this group
1343         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1344         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1345         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1346                 TcDictBinds)    -- Bindings
1347         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1348         -- quantify over; by definition there are none.
1349         -- They are all thrown back in the LIE
1350
1351 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1352         -- Zonk everything in sight
1353   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1354         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1355
1356         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1357         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1358         -- variables as possible, and we don't want to stop
1359         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1360         -- immediately, with no constraint on s.
1361         --
1362         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1363         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1364         --          a method Inst with an equality constraint
1365         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1366         ; (_imp, _binds, constrained_dicts, elim_skolems) 
1367             <- reduceContext env wanteds'
1368         ; elim_skolems
1369
1370         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1371         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1372         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1373         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1374
1375         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1376                                 -- As in tcSimplifyInfer
1377
1378                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1379                 -- this is the monomorphism restriction
1380               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1381               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1382               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1383
1384         -- Warn in the mono
1385         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1386         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1387                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1388                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1389                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1390
1391         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1392                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1393                 ppr _binds,
1394                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1395
1396         -- The first step may have squashed more methods than
1397         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1398         -- set of type variables to quantify over.
1399         --
1400         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1401         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1402         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1403         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1404         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1405         --
1406         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1407         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1408         -- just to float all constraints
1409         --
1410         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1411         -- expose implicit parameters to the test that follows
1412         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1413               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1414                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1415                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1416               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1417         ; (_imp, binds, irreds, elim_skolems) <- reduceContext env wanteds'
1418         ; elim_skolems
1419
1420         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1421         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1422           if is_nested_group then
1423                 extendLIEs irreds
1424           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1425                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1426                   ; extendLIEs non_ips }
1427
1428         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1429         ; return (qtvs', binds) }
1430 \end{code}
1431
1432
1433 %************************************************************************
1434 %*                                                                      *
1435                 tcSimplifyRuleLhs
1436 %*                                                                      *
1437 %************************************************************************
1438
1439 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1440 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1441 as the available stuff for the RHS of the rule.
1442
1443 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1444         
1445         f (x == y) (y > z) = ...
1446
1447 If we typecheck this expression we get constraints
1448
1449         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1450
1451 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1452
1453         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1454           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1455
1456 Instead we want 
1457
1458         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1459           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1460
1461 Here is another example:
1462
1463         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1464         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1465
1466 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1467 we *dont* want to get
1468
1469         forall dIntegralInt.
1470            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1471
1472 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1473
1474         forall dIntegralInt, dNumInt.
1475           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1476
1477 Even if we have 
1478
1479         g (x == y) (y == z) = ..
1480
1481 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1482
1483         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1484           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1485
1486 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1487 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1488
1489 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1490 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1491 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1492
1493 \begin{code}
1494 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1495 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1496   = go [] emptyBag wanteds
1497   where
1498     go dicts binds []
1499         = return (dicts, binds)
1500     go dicts binds (w:ws)
1501         | isDict w
1502         = go (w:dicts) binds ws
1503         | otherwise
1504         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1505                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1506              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1507              ; case lookup_result of
1508                  GenInst ws' rhs -> 
1509                    go dicts (addInstToDictBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1510                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1511           }
1512 \end{code}
1513
1514 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1515 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1516 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1517 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1518 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1519 this bracket again at its usage site.
1520
1521 \begin{code}
1522 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1523 tcSimplifyBracket wanteds
1524   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1525         ; return () }
1526   where
1527     doc = text "tcSimplifyBracket"
1528 \end{code}
1529
1530
1531 %************************************************************************
1532 %*                                                                      *
1533 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1534 %*                                                                      *
1535 %************************************************************************
1536
1537 When we have
1538         let ?x = R in B
1539
1540 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1541 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1542
1543 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1544
1545         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1546         let ?x = 3 in f 'c'
1547
1548 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1549 force the binding for ?x to be of type Int.
1550
1551 \begin{code}
1552 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1553               -> [Inst]         -- Wanted
1554               -> TcM TcDictBinds
1555         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1556         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1557         --      let ?x = e in ?x
1558         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1559         -- makes them the same.
1560
1561 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1562   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1563         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1564                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1565
1566         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1567         ; (improved, binds, irreds, elim_skolems) <- reduceContext env wanteds'
1568         ; elim_skolems
1569
1570         ; if not improved then 
1571                 ASSERT( all is_free irreds )
1572                 do { extendLIEs irreds
1573                    ; return binds }
1574           else
1575                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1576   where
1577     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1578     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1579     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1580
1581         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1582     try_me inst | is_free inst = Stop
1583                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1584 \end{code}
1585
1586
1587 %************************************************************************
1588 %*                                                                      *
1589 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1590 %*                                                                      *
1591 %************************************************************************
1592
1593 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1594 For example, we might have...
1595 \begin{verbatim}
1596 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1597     f.1 = f Int     -- two instances of f
1598     f.2 = f Float
1599  in
1600     (f.1 5, f.2 6.7)
1601 \end{verbatim}
1602 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1603 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1604 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1605 there, they would have unresolvable references to @f@.
1606
1607 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1608 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1609 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1610 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1611
1612 \begin{code}
1613 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1614 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1615 --      fm = f tys dicts
1616 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1617 --      d1 = d2
1618 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1619 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1620
1621 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1622   | null overloaded_ids = do
1623         -- Common case
1624     extendLIEs wanteds
1625     return emptyLHsBinds
1626
1627   | otherwise
1628   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1629         ; extendLIEs not_for_me 
1630         ; extendLIEs irreds
1631         ; return binds }
1632   where
1633     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1634     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1635     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1636     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1637
1638     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1639                                                 -- so it's worth building a set, so that
1640                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1641 \end{code}
1642
1643
1644 %************************************************************************
1645 %*                                                                      *
1646 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1647 %*                                                                      *
1648 %************************************************************************
1649
1650 The main control over context reduction is here
1651
1652 \begin{code}
1653 data RedEnv 
1654   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1655            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1656            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1657            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1658                                                 -- Always dicts
1659                                                 -- but see Note [Rigidity]
1660            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1661                                                 -- See Note [RedStack]
1662   }
1663
1664 -- Note [Rigidity]
1665 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1666 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1667 --      let ?x = e in ...
1668 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1669 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1670
1671 -- Note [RedStack]
1672 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1673 -- 'n' is always the depth of the stack.
1674 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1675 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1676
1677
1678 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1679 mkRedEnv doc try_me givens
1680   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1681              red_givens = givens, 
1682              red_stack = (0,[]),
1683              red_improve = True }       
1684
1685 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1686 -- Do not do improvement; no givens
1687 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1688   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1689              red_givens = [], 
1690              red_stack = (0,[]),
1691              red_improve = True }       
1692
1693 data WhatToDo
1694  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1695                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1696                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1697                         -- message of any kind.
1698                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1699
1700  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1701                         -- be reduced to a constant in one step
1702                         -- Do not add superclasses; see 
1703
1704 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1705                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1706         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1707         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1708
1709 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1710 zonkRedEnv env
1711   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1712        ; return $ env {red_givens = givens'}
1713        }
1714 \end{code}
1715
1716
1717 %************************************************************************
1718 %*                                                                      *
1719 \subsection[reduce]{@reduce@}
1720 %*                                                                      *
1721 %************************************************************************
1722
1723 Note [Ancestor Equalities]
1724 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1725 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1726 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1727 class constraints.  Consider the following code
1728
1729   class a ~ Int => C a
1730   instance C Int
1731
1732 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1733 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1734 discharge with the explicit instance.
1735
1736 \begin{code}
1737 reduceContext :: RedEnv
1738               -> [Inst]                 -- Wanted
1739               -> TcM (ImprovementDone,
1740                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1741                       [Inst],           -- Irreducible
1742                       TcM ())           -- Undo skolems from SkolemOccurs
1743
1744 reduceContext env wanteds
1745   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1746              text "----------------------",
1747              red_doc env,
1748              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1749              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1750              text "----------------------"
1751              ]))
1752
1753
1754         ; let givens                       = red_givens env
1755               (given_eqs0, given_dicts0)   = partition isEqInst givens
1756               (wanted_eqs0, wanted_non_eqs) = partition isEqInst wanteds
1757               (wanted_implics0, wanted_dicts0) = partition isImplicInst wanted_non_eqs
1758
1759           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1760           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1761           -- See Note [Ancestor Equalities]
1762         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanted_dicts0
1763         ; let wanted_eqs = wanted_eqs0 ++ ancestor_eqs
1764         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1765
1766           -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1767         ; (given_eqs, eliminate_skolems) <- normaliseGivenEqs given_eqs0
1768
1769           -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1770           --    wrt. the toplevel and given equations
1771         ; (given_dicts, given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs
1772                                                             given_dicts0
1773
1774           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1775         ; (init_state, extra_givens) <- getLIE $ do 
1776                 { init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1777                 ; return init_state
1778                 }
1779
1780         -- *** ToDo: what to do with the "extra_givens"?  For the
1781         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1782
1783           -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1784           --    wrt. the toplevel and given equations
1785           -- NB: normalisation includes zonking as part of what it does
1786           --     so it's important to do it after any unifications
1787           --     that happened as a result of the addGivens
1788         ; (wanted_dicts,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs wanted_dicts0
1789
1790           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1791           --    This may expose some further equational constraints...
1792         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1793         ; (dict_binds, bound_dicts, dict_irreds) <- extractResults avails wanted_dicts
1794         ; traceTc $ text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1795                       [ppr avails,ppr wanted_dicts,ppr dict_binds]
1796
1797         -- *** ToDo: what to do with the "extra_eqs"?  For the
1798         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1799
1800           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1801           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1802           --              *or* for which we now have bindings, 
1803           --              *or* which are now irreds
1804         ; let implic_env = env { red_givens = givens ++ bound_dicts ++ dict_irreds }
1805         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics0
1806         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1807               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1808
1809           -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1810         ; eq_irreds0 <- solveWantedEqs given_eqs wanted_eqs
1811
1812           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to
1813           --    each other 
1814         ; eq_irreds <- normaliseWantedEqs eq_irreds0
1815
1816           -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1817         ; let irreds = dict_irreds ++ implic_irreds
1818         ; (norm_irreds, normalise_binds2) <- substEqInDictInsts True {-wanted-}
1819                                                                 eq_irreds irreds
1820                 
1821           -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1822 --      ; eliminate_skolems     
1823
1824           -- Figure out whether we should go round again
1825           -- My current plan is to see if any of the mutable tyvars in
1826           -- givens or irreds has been filled in by improvement.  
1827           -- If so, there is merit in going around again, because
1828           -- we may make further progress
1829           -- 
1830           -- ToDo: is it only mutable stuff?  We may have exposed new
1831           --       equality constraints and should probably go round again
1832           --       then as well.  But currently we are dropping them on the
1833           --       floor anyway.
1834
1835         ; let all_irreds = norm_irreds ++ eq_irreds
1836         ; improved <- anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems $
1837                       tyVarsOfInsts (givens ++ all_irreds)
1838
1839         -- The old plan (fragile)
1840         -- improveed   = availsImproved avails 
1841         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1842         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1843         --               || (any isEqInst irreds)
1844
1845         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1846              text "----------------------",
1847              red_doc env,
1848              text "given" <+> ppr givens,
1849              text "given_eqs" <+> ppr given_eqs,
1850              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1851              text "wanted_dicts" <+> ppr wanted_dicts,
1852              text "----",
1853              text "avails" <+> pprAvails avails,
1854              text "improved =" <+> ppr improved,
1855              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1856              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1857              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1858              text "----------------------"
1859              ]))
1860
1861         ; return (improved, 
1862                   given_binds `unionBags` normalise_binds1 
1863                               `unionBags` normalise_binds2 
1864                               `unionBags` dict_binds 
1865                               `unionBags` implic_binds, 
1866                   all_irreds,
1867                   eliminate_skolems) 
1868         }
1869
1870 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1871 tcImproveOne avails inst
1872   | not (isDict inst) = return False
1873   | otherwise
1874   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1875         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1876                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1877                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1878                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1879                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1880                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1881                 -- It does not have duplicates (good)
1882                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1883                 --    so that improve will see them separate
1884         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1885         ; unifyEqns eqns }
1886
1887 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1888           -> TcM ImprovementDone
1889 unifyEqns [] = return False
1890 unifyEqns eqns
1891   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1892         ; mapM_ unify eqns
1893         ; return True }
1894   where
1895     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1896          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ do
1897            (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1898            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1899     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1900
1901 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1902
1903 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1904   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1905         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1906         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1907                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1908                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1909         ; return (tidy_env, msg) }
1910 \end{code}
1911
1912 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1913
1914 \begin{code}
1915 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1916 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1917   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1918         ; dopts <- getDOpts
1919 #ifdef DEBUG
1920         ; if n > 8 then
1921                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1922                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1923           else return ()
1924 #endif
1925         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1926             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1927           else
1928             go wanteds state }
1929   where
1930     go []     state = return state
1931     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1932                          ; go ws state' }
1933
1934     -- Base case: we're done!
1935 reduce env wanted avails
1936     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1937   | Just avail <- findAvail avails wanted
1938   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1939        ; return avails
1940        }
1941
1942   | otherwise
1943   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
1944         ; case red_try_me env wanted of {
1945             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1946                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1947
1948             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1949                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1950                 ; case lookup_result of
1951                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1952                              -- Add it and its superclasses
1953                              
1954                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1955
1956                     GenInst wanteds' rhs
1957                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1958                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1959                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1960                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1961                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1962                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1963                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1964                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1965                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1966                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1967                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1968     } }
1969   where
1970         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1971         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1972         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1973     try_simple do_this_otherwise
1974       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1975            ; case res of
1976                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1977                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1978 \end{code}
1979
1980
1981 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1982 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1983 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1984 and want to deduce (d2:C [a]) where
1985
1986         class Ord a => C a where
1987         instance Ord [a] => C [a] where ...
1988
1989 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1990 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1991 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1992 build a loop! 
1993
1994 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1995         class Monad m => C1 m
1996         class C1 m => C2 m x
1997         instance C2 Maybe Bool
1998 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1999 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2000 before we search for C1 Maybe.
2001
2002 Here's another example 
2003         class Eq b => Foo a b
2004         instance Eq a => Foo [a] a
2005 If we are reducing
2006         (Foo [t] t)
2007
2008 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2009 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2010
2011 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2012 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2013 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2014 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2015 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2016 first time, but reducible next time.
2017
2018 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2019 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2020
2021
2022 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2023 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2024 Consider 
2025     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2026     
2027     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2028         ZeroD     == ZeroD     = True
2029         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2030         _         == _         = False;
2031     
2032     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2033     equalDC = (==);
2034
2035 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2036
2037         d1 : Eq (D [])
2038
2039 by instance decl, holds if
2040         d2 : Eq [D []]
2041         where   d1 = dfEqD d2
2042
2043 by instance decl of Eq, holds if
2044         d3 : D []
2045         where   d2 = dfEqList d3
2046                 d1 = dfEqD d2
2047
2048 But now we can "tie the knot" to give
2049
2050         d3 = d1
2051         d2 = dfEqList d3
2052         d1 = dfEqD d2
2053
2054 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2055 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2056 contributing clauses.
2057         
2058
2059 %************************************************************************
2060 %*                                                                      *
2061                 Reducing a single constraint
2062 %*                                                                      *
2063 %************************************************************************
2064
2065 \begin{code}
2066 ---------------------------------------------
2067 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2068 reduceInst env avails other_inst
2069   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2070         ; return (avails, result) }
2071 \end{code}
2072
2073 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2074 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2075
2076 An implication constraint is of the form 
2077         Given => Wanted 
2078 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2079 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2080 is distinct:
2081
2082 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2083    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2084    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2085    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2086
2087 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2088    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2089    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2090    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2091    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2092    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2093
2094 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2095 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2096 which are types.
2097
2098 \begin{code}
2099 ---------------------------------------------
2100 reduceImplication :: RedEnv
2101                   -> Inst
2102                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2103 \end{code}
2104
2105 Suppose we are simplifying the constraint
2106         forall bs. extras => wanted
2107 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2108
2109 Note that
2110   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2111         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2112                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2113
2114     This happens when you have something like
2115         data T a where
2116           T1 :: Eq a => a -> T a
2117
2118         f :: T a -> Int
2119         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2120
2121 \begin{code}
2122         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2123         --
2124         -- Note on coercion variables:
2125         --
2126         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2127         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2128         --              the solved equational constraints use these binders
2129         --
2130         --      -) at the solving site of the implication constraint
2131         --              the solved dictionaries use these binders               
2132         --              these binders are generated by reduceImplication
2133         --
2134 reduceImplication env
2135         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2136                                   tci_tyvars = tvs,
2137                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2138   = do  {       -- Solve the sub-problem
2139         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs  -- Note [Freeness and implications]
2140               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2141                          , red_doc = sep [ptext SLIT("reduceImplication for") 
2142                                             <+> ppr name,
2143                                           nest 2 (parens $ ptext SLIT("within")
2144                                                            <+> red_doc env)]
2145                          , red_try_me = try_me }
2146
2147         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2148                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2149                           ppr wanteds])
2150         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2151         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2152                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2153                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2154                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2155
2156                 -- Note [Reducing implication constraints]
2157                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2158
2159         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2160                         [ppr irreds, ppr binds])
2161
2162         ; -- extract superclass binds
2163           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2164 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2165 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2166 --  
2167
2168         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2169         -- Then we must iterate the outer loop too!
2170
2171         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2172
2173 --      Progress is no longer measered by the number of bindings
2174         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then        -- No progress
2175                 -- If there are any irreds, we back off and do nothing
2176                 return (emptyBag, [orig_implic])
2177           else do
2178         { (simpler_implic_insts, bind) 
2179             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2180                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2181                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2182                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2183                 -- when inferring types.
2184
2185         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2186                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2187                 --  we need a different evidence for given
2188                 --  equations depending on whether we solve
2189                 --  dictionary constraints or equational constraints
2190
2191                 eq_tyvars = varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2192                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2193                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2194                         --              it makes no difference
2195                 co  = wrap_inline       -- Note [Always inline implication constraints]
2196                       <.> mkWpTyLams tvs
2197                       <.> mkWpLams eq_tyvars
2198                       <.> mkWpLams dict_ids
2199                       <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2200                 wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2201                             | otherwise     = WpInline
2202                 rhs = mkHsWrap co payload
2203                 loc = instLocSpan inst_loc
2204                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2205                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2206
2207         
2208         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2209                          ppr simpler_implic_insts,
2210                          text "->" <+> ppr rhs])
2211         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) (L loc rhs))),
2212                   simpler_implic_insts)
2213         } 
2214     }
2215 \end{code}
2216
2217 Note [Always inline implication constraints]
2218 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2219 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2220 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2221 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2222 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2223 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2224 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2225 there is no loss of sharing as a result.
2226
2227 Note [Freeness and implications]
2228 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2229 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2230         forall {} Eq a => Foo [a]
2231 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2232 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2233
2234 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2235 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2236         forall {a}. () => Bar b
2237 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2238 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2239 must be much more careful:
2240         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2241 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2242 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2243
2244 Here is an even more exotic example
2245         class C a => D a b
2246 Now consider the constraint
2247         forall b. D Int b => C Int
2248 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2249 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2250 the constraints!
2251
2252 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2253 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2254 Suppose we are about to form the implication constraint
2255         forall tvs.  Eq a => Ord b
2256 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2257 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2258
2259 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2260 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2261 advantage of that at the moment.
2262
2263 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2264
2265
2266 %************************************************************************
2267 %*                                                                      *
2268                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2269 %*                                                                      *
2270 %************************************************************************
2271
2272
2273 \begin{code}
2274 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2275
2276 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2277                                 -- so some Irreds might now be reducible
2278                                 -- keys that are now 
2279
2280 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2281 data AvailHow
2282   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2283                         -- which are going to be lambda bound
2284
2285   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2286                         -- e.g. those "given" in a signature
2287
2288   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2289         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2290         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2291
2292 instance Outputable Avails where
2293   ppr = pprAvails
2294
2295 pprAvails (Avails imp avails)
2296   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2297          , nest 2 $ braces $ 
2298            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2299                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2300
2301 instance Outputable AvailHow where
2302     ppr = pprAvail
2303
2304 -------------------------
2305 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2306 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2307 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2308 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2309                                nest 2 (ppr rhs)]
2310
2311 -------------------------
2312 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2313 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2314
2315 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2316 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2317         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2318         --  *not* by unique.  So
2319         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2320
2321 emptyAvails :: Avails
2322 emptyAvails = Avails False emptyFM
2323
2324 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2325 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2326
2327 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2328 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2329
2330 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2331 -- Does improvement
2332 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2333   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2334         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2335
2336 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2337 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2338
2339 availsImproved (Avails imp _) = imp
2340
2341 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2342 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2343 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2344 \end{code}
2345
2346 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2347 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2348 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2349 dependency analyser can sort them out later
2350
2351 \begin{code}
2352 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2353 -- Tracks which things we have evidence for
2354
2355 extractResults :: Avails
2356                -> [Inst]                -- Wanted
2357                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2358                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2359                        [Inst])          -- Irreducible ones
2360                         -- Note [Reducing implication constraints]
2361
2362 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2363   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2364   where
2365     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2366         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2367         -> [Inst]       -- Irreds
2368         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2369         -> [Inst]       -- Wanted
2370         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2371     go binds bound_dicts irreds done [] 
2372       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2373
2374     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2375       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2376       = if w_id `elem` done_ids then
2377            go binds bound_dicts irreds done ws
2378         else
2379            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2380               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2381
2382       | otherwise       -- Not yet done
2383       = case findAvailEnv avails w of
2384           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2385                      go binds bound_dicts irreds done ws
2386
2387           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2388
2389           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2390
2391           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2392                 where
2393                   g_id = instToId g
2394                   binds' | w_id == g_id = binds
2395                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2396       where
2397         w_id  = instToId w      
2398         done' = addToFM done w [w_id]
2399         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2400 \end{code}
2401
2402
2403 Note [No superclasses for Stop]
2404 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2405 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2406 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2407 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2408         df::Floating a
2409         dn::Num a
2410 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2411 here lest we lose sharing.
2412
2413 \begin{code}
2414 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2415 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2416   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2417   where
2418     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2419
2420 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2421 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given given)
2422         -- Always add superclasses for 'givens'
2423         --
2424         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2425         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2426         -- so the assert isn't true
2427 \end{code}
2428
2429 \begin{code}
2430 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2431 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2432                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2433
2434 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2435 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2436   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2437   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2438   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2439                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2440                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2441   where
2442     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2443                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2444     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2445     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2446
2447     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2448     -- Find all the Insts that this one depends on
2449     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2450     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2451     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2452     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2453     findAllDeps so_far other        = so_far
2454
2455     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2456     find_all so_far kid
2457       | isEqInst kid                       = so_far
2458       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2459       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2460       | otherwise                          = so_far'
2461       where
2462         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2463         kid_id = instToId kid
2464
2465 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2466         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2467         -- The first param says "don't do this because the original thing
2468         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2469         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2470
2471 addSCs is_loop avails dict
2472   = ASSERT( isDict dict )
2473     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2474         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2475   where
2476     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2477     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2478     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2479                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2480
2481     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2482       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2483       | is_given sc_dict           = return avails
2484       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2485                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2486       where
2487         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2488         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2489
2490     is_given :: Inst -> Bool
2491     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2492                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2493                           other          -> False       
2494
2495 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2496 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2497 --
2498 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2499 ancestorEqualities
2500   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2501     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2502     . bagToList 
2503     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2504     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2505     . filter isClassDict
2506   where
2507     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2508     addAEsToBag bag []           = bag
2509     addAEsToBag bag (pred:preds)
2510       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2511       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2512       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2513       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2514       where
2515         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2516         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2517         --
2518         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2519         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2520 \end{code}
2521
2522
2523 %************************************************************************
2524 %*                                                                      *
2525 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2526 %*                                                                      *
2527 %************************************************************************
2528
2529
2530 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2531 and ambiguous Insts.
2532
2533 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2534
2535         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2536
2537 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2538 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2539
2540 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2541
2542
2543 \begin{code}
2544 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2545 tcSimplifyTop wanteds
2546   = tc_simplify_top doc False wanteds
2547   where 
2548     doc = text "tcSimplifyTop"
2549
2550 tcSimplifyInteractive wanteds
2551   = tc_simplify_top doc True wanteds
2552   where 
2553     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2554
2555 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2556 -- error message generation for the monomorphism restriction
2557 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2558   = do  { dflags <- getDOpts
2559         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2560         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2561
2562         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2563         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2564 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2565         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2566         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2567         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2568
2569                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2570                 -- NB: irreds2 are already zonked
2571         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2572
2573                 -- Deal with implicit parameters
2574         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2575               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2576
2577         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2578                                 --                  f x = x + ?y
2579         ; addNoInstanceErrs others
2580         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2581
2582         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2583   where
2584     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2585     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2586     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2587 \end{code}
2588
2589 If a dictionary constrains a type variable which is
2590         * not mentioned in the environment
2591         * and not mentioned in the type of the expression
2592 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2593 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2594 parameter to a function.
2595
2596 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2597 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2598 Specifically, if
2599         * at least one of its classes is a numeric class, and
2600         * all of its classes are numeric or standard
2601 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2602 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2603
2604 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2605 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2606 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2607 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2608
2609 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2610 the same type variable.
2611
2612 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2613 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2614 the most common use of defaulting is code like:
2615 \begin{verbatim}
2616         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2617 \end{verbatim}
2618 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2619 @void@.
2620
2621 \begin{code}
2622 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2623         -- Just does unification to fix the default types
2624         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2625 disambiguate doc interactive dflags insts
2626   | null insts
2627   = return (insts, emptyBag)
2628
2629   | null defaultable_groups
2630   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2631         ; return (insts, emptyBag) }
2632
2633   | otherwise
2634   = do  {       -- Figure out what default types to use
2635           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2636
2637         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2638         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2639
2640         -- disambigGroup does unification, hence try again
2641         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2642
2643   where
2644    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2645    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2646
2647    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2648    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2649    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2650    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2651
2652         -- Finds unary type-class constraints
2653    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2654         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2655    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2656
2657                 -- Group by type variable
2658    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2659    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2660    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2661
2662    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2663    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2664         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2665         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2666         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2667    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2668
2669    defaultable_classes clss 
2670         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2671         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2672
2673         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2674         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2675    isInteractiveClass cls 
2676         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2677
2678    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2679         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2680         -- when -foverloaded-strings is enabled
2681
2682    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2683         -- Similarly is_std_class
2684
2685 -----------------------
2686 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2687               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2688               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2689
2690 disambigGroup default_tys dicts
2691   = try_default default_tys
2692   where
2693     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2694     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2695
2696     try_default [] = return ()
2697     try_default (default_ty : default_tys)
2698       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2699         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2700                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2701                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2702                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2703                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2704                 -- default list is Int.
2705
2706                 -- After this we can't fail
2707            ; warnDefault dicts default_ty
2708            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2709            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2710            }
2711
2712
2713 -----------------------
2714 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2715 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2716   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2717         ; case mb_defaults of {
2718            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2719            Nothing  -> do
2720
2721         -- No use-supplied default
2722         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2723         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2724         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2725         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2726         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2727                         -- Note [Default unitTy]
2728                         ++
2729                   [integer_ty,doubleTy]
2730                         ++
2731                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2732   where
2733     opt_deflt True  ty = [ty]
2734     opt_deflt False ty = []
2735 \end{code}
2736
2737 Note [Default unitTy]
2738 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2739 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2740 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2741 Consider: 
2742         Text.Printf.printf "hello"
2743 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2744 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2745 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2746 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2747 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2748
2749 Note [Avoiding spurious errors]
2750 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2751 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2752 type variables, and simply don't default them.  For example:
2753    f = (*)      -- Monomorphic
2754    g :: Num a => a -> a
2755    g x = f x x
2756 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2757 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2758 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2759 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2760 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2761
2762
2763 %************************************************************************
2764 %*                                                                      *
2765 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2766 %*                                                                      *
2767 %************************************************************************
2768
2769 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2770
2771 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2772 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2773 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2774
2775 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2776 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2777 instance declarations.
2778
2779 \begin{code}
2780 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2781                 -> [TyVar]      
2782                 -> ThetaType            -- Wanted
2783                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2784 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2785 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2786
2787 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2788   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2789         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2790         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2791         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2792         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2793         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2794
2795         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2796         ; addNoInstanceErrs others
2797         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2798
2799         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2800               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2801                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2802                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2803
2804         ; return simpl_theta }
2805   where
2806     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2807
2808     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2809             | otherwise   = False
2810 \end{code}
2811
2812
2813 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2814 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2815 whether it worked or not.
2816
2817 \begin{code}
2818 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2819                   -> TcM ()
2820
2821 tcSimplifyDefault theta = do
2822     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
2823     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2824     addNoInstanceErrs  irreds
2825     if null irreds then
2826         return ()
2827      else
2828         traceTc (ptext SLIT("tcSimplifyDefault failing")) >> failM
2829   where
2830     doc = ptext SLIT("default declaration")
2831 \end{code}
2832
2833
2834 %************************************************************************
2835 %*                                                                      *
2836 \section{Errors and contexts}
2837 %*                                                                      *
2838 %************************************************************************
2839
2840 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2841 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2842 now?
2843
2844 \begin{code}
2845 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2846           -> [Inst]             -- The offending Insts
2847           -> TcM ()
2848 -- Group together insts with the same origin
2849 -- We want to report them together in error messages
2850
2851 groupErrs report_err [] 
2852   = return ()
2853 groupErrs report_err (inst:insts)
2854   = do  { do_one (inst:friends)
2855         ; groupErrs report_err others }
2856   where
2857         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2858         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2859         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2860    (friends, others) = partition is_friend insts
2861    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2862    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2863    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2864                 -- Add location and context information derived from the Insts
2865
2866 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2867 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2868 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2869
2870 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2871 addTopIPErrs bndrs [] 
2872   = return ()
2873 addTopIPErrs bndrs ips
2874   = do  { dflags <- getDOpts
2875         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2876   where
2877     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2878     mk_msg dflags ips 
2879         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2880                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2881                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2882                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2883                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2884                 monomorphism_fix dflags]
2885     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2886
2887 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2888 topIPErrs dicts
2889   = groupErrs report tidy_dicts
2890   where
2891     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2892     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2893     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2894                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2895
2896 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2897                   -> TcM ()     
2898 addNoInstanceErrs insts
2899   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
2900         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
2901
2902 reportNoInstances 
2903         :: TidyEnv
2904         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
2905                         -- Nothing => top level
2906                         -- Just (d,g) => d describes the construct
2907                         --               with givens g
2908         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
2909         -> TcM ()       
2910
2911 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
2912   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
2913
2914 report_no_instances tidy_env mb_what insts
2915   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
2916        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
2917              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
2918              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
2919        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
2920                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
2921        ; mapM_ complain_implic implics
2922        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
2923        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
2924        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
2925        }
2926   where
2927     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
2928
2929     complain_implic inst        -- Recurse!
2930       = reportNoInstances tidy_env 
2931                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
2932                           (tci_wanted inst)
2933
2934     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
2935         -- Right msg  => overlap message
2936         -- Left  inst => no instance
2937     check_overlap inst_envs wanted
2938         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
2939         | otherwise
2940         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
2941                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
2942                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
2943                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
2944 #ifdef DEBUG
2945                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
2946 #endif
2947                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
2948                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
2949           where
2950             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
2951
2952     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2953       = ASSERT( not (null matches) )
2954         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
2955                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
2956                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2957                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
2958                 if not (isSingleton matches)
2959                 then    -- Two or more matches
2960                      empty
2961                 else    -- One match, plus some unifiers
2962                 ASSERT( not (null unifiers) )
2963                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2964                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
2965                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
2966                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
2967       where
2968         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
2969
2970     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
2971     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
2972
2973     mk_no_inst_err insts
2974       | null insts = empty
2975
2976       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
2977         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
2978       = vcat [ addInstLoc insts $
2979                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
2980                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
2981              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
2982
2983       | otherwise       -- Top level 
2984       = vcat [ addInstLoc insts $
2985                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
2986                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
2987              , show_fixes fixes2 ]
2988
2989       where
2990         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
2991                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
2992                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
2993                          -- I'm not sure it helps to add the location
2994                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
2995
2996         fixes2 | null instance_dicts = []
2997                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
2998                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
2999         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3000                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3001                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3002
3003         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3004         show_fixes []     = empty
3005         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
3006                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
3007
3008 addTopAmbigErrs dicts
3009 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3010   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3011                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3012     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3013   where
3014     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3015
3016     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3017     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3018     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3019     
3020     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3021     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3022           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3023           setSrcSpan (instSpan inst) $
3024                 -- the location of the first one will do for the err message
3025            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3026         where
3027           dicts = map fst pairs
3028           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3029                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3030                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3031           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3032     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3033
3034
3035 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3036 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3037 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3038 -- Try to identify the offending variable
3039 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3040 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3041   = do  { dflags <- getDOpts
3042         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3043         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3044   where
3045     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3046         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3047                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3048                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3049     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3050                         -- This happens in things like
3051                         --      f x = show (read "foo")
3052                         -- where monomorphism doesn't play any role
3053     mk_msg dflags docs 
3054         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3055                 nest 2 (vcat docs),
3056                 monomorphism_fix dflags]
3057
3058 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3059 monomorphism_fix dflags
3060   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3061         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3062          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3063            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3064            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3065                         -- if it is not already set!
3066     
3067 warnDefault ups default_ty = do
3068     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3069     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3070   where
3071     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3072
3073         -- Tidy them first
3074     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3075     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3076                                 quotes (ppr default_ty),
3077                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3078
3079 reduceDepthErr n stack
3080   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3081           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3082           nest 4 (pprStack stack)]
3083
3084 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3085 \end{code}