FIX: tidy up TcSimplify following equality constraints additions
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 {-# OPTIONS -w #-}
10 -- The above warning supression flag is a temporary kludge.
11 -- While working on this module you are encouraged to remove it and fix
12 -- any warnings in the module. See
13 --     http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/Commentary/CodingStyle#Warnings
14 -- for details
15
16 module TcSimplify (
17         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
18         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
19         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
20         tcSimplifySuperClasses,
21         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
22         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
23
24         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
25         bindInstsOfLocalFuns, bindIrreds,
26
27         misMatchMsg
28     ) where
29
30 #include "HsVersions.h"
31
32 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
33 import HsSyn
34
35 import TcRnMonad
36 import Inst
37 import TcEnv
38 import InstEnv
39 import TcGadt
40 import TcType
41 import TcMType
42 import TcIface
43 import TcTyFuns
44 import TypeRep
45 import Var
46 import Name
47 import NameSet
48 import Class
49 import FunDeps
50 import PrelInfo
51 import PrelNames
52 import Type
53 import TysWiredIn
54 import ErrUtils
55 import BasicTypes
56 import VarSet
57 import VarEnv
58 import Module
59 import FiniteMap
60 import Bag
61 import Outputable
62 import Maybes
63 import ListSetOps
64 import Util
65 import UniqSet
66 import SrcLoc
67 import DynFlags
68
69 import Data.List
70 \end{code}
71
72
73 %************************************************************************
74 %*                                                                      *
75 \subsection{NOTES}
76 %*                                                                      *
77 %************************************************************************
78
79         --------------------------------------
80         Notes on functional dependencies (a bug)
81         --------------------------------------
82
83 Consider this:
84
85         class C a b | a -> b
86         class D a b | a -> b
87
88         instance D a b => C a b -- Undecidable 
89                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
90         f :: C a b => a -> Bool
91         f _ = True
92         
93         g :: C a b => a -> Bool
94         g = f
95
96 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
97 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
98
99 Here is a more complicated example:
100
101 | > class Foo a b | a->b
102 | >
103 | > class Bar a b | a->b
104 | >
105 | > data Obj = Obj
106 | >
107 | > instance Bar Obj Obj
108 | >
109 | > instance (Bar a b) => Foo a b
110 | >
111 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
112 | > foo _ = "works"
113 | >
114 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
115 | > runFoo f = f Obj
116
117 | *Test> runFoo foo
118
119 | <interactive>:1:
120 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
121 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
122 |     Probable fix:
123 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
124 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
125 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
126
127 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
128 | function foo didn't ask for that... 
129
130 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
131
132         Given constraint        Foo a b
133         Solve constraint        Foo a b'
134
135 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
136 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
137         simplify constraints
138         apply improvement
139         and loop
140
141 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
142 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
143 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
144 from.
145
146 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
147 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
148
149 Note [Choosing which variables to quantify]
150 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
151 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
152
153         G       the environment
154         T       the type of the RHS
155         C       the constraints from that RHS
156
157 The game is to figure out
158
159         Q       the set of type variables over which to quantify
160         Ct      the constraints we will *not* quantify over
161         Cq      the constraints we will quantify over
162
163 So we're going to infer the type
164
165         forall Q. Cq => T
166
167 and float the constraints Ct further outwards.
168
169 Here are the things that *must* be true:
170
171  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
172  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
173
174  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
175  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
176      we won't get a sufficiently general type.  
177
178 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
179 free vars of the environment G.
180
181         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
182
183 Example:        class H x y | x->y where ...
184
185         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
186                         T = c -> b
187
188         (A)  Q intersect {a} is empty
189         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
190
191         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
192
193 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
194 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
195 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
196 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
197
198 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
199 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
200 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
201 choose Q:
202
203         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
204
205 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
206 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
207 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
208 albeit perhaps too many.
209
210 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
211
212         class H x y | x->y where ...
213
214         T = c->c
215         C = (H c d)
216
217   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
218
219         forall c. H c d => c -> b
220
221   And then if the fn was called at several different c's, each of
222   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
223   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
224   everything that might be influenced by c.
225
226 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
227 all the functional dependencies yet:
228
229         class H x y | x->y where ...
230         instance H x y => Eq (T x y) where ...
231
232         T = c->c
233         C = (Eq (T c d))
234
235 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
236 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
237
238 There really isn't any point in quantifying over any more than
239 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
240 any other type variables.
241
242
243
244 -------------------------------------
245         Note [Ambiguity]
246 -------------------------------------
247
248 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
249
250         class K x
251         class H x y | x -> y
252         instance H x y => K (x,y)
253
254 Is this type ambiguous?
255         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
256
257 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
258 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
259 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
260 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
261
262 Here's another example: is this ambiguous?
263         forall a b. Eq (T b) => a -> a
264 Not if there's an insance decl (with no context)
265         instance Eq (T b) where ...
266
267 You may say of this example that we should use the instance decl right
268 away, but you can't always do that:
269
270         class J a b where ...
271         instance J Int b where ...
272
273         f :: forall a b. J a b => a -> a
274
275 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
276 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
277 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
278 when inferring a type for f.
279
280
281
282 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
283 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
284 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
285
286 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
287
288         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
289
290 (all tested before quantification).
291 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
292 in the environment, or by the variables in the type.
293
294 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
295
296         class J a b c | a b -> c
297         fv(G) = {a}
298
299 Is this ambiguous?
300         forall b c. (J a b c) => b -> b
301
302 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
303 do we see that c is fixed.
304
305 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
306 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
307 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
308 only issue a warning.
309
310
311 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
312
313         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
314
315 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
316 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
317 the nasty example?
318
319         class K x
320         class H x y | x -> y
321         instance H x y => K (x,y)
322
323 Is this type ambiguous?
324         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
325
326 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
327 is a "bubble" that's a set of constraints
328
329         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
330
331 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
332 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
333 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
334 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
335 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
336
337
338         --------------------------------------
339                 Notes on principal types
340         --------------------------------------
341
342     class C a where
343       op :: a -> a
344
345     f x = let g y = op (y::Int) in True
346
347 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
348 but we'll produce the non-principal type
349     f :: forall a. C Int => a -> a
350
351
352         --------------------------------------
353         The need for forall's in constraints
354         --------------------------------------
355
356 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
357
358   class C t where op :: t -> Bool
359   instance C [t] where op x = True
360
361   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
362   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
363
364 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
365 the pair on their right-hand sides.  And yet:
366
367   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
368   Hugs rejects q, but accepts p;
369   hbc rejects both p and q;
370   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
371
372 The type signature for f forces context reduction to take place, and
373 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
374 which in turn depends on which component of the pair the type checker
375 analyzes first.  
376
377 Solution: if y::m a, float out the constraints
378         Monad m, forall c. C (m c)
379 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
380
381
382         --------------------------------------
383                 Notes on implicit parameters
384         --------------------------------------
385
386 Note [Inheriting implicit parameters]
387 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
388 Consider this:
389
390         f x = (x::Int) + ?y
391
392 where f is *not* a top-level binding.
393 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
394 There are two types we might infer for f:
395
396         f :: Int -> Int
397
398 (so we get ?y from the context of f's definition), or
399
400         f :: (?y::Int) => Int -> Int
401
402 At first you might think the first was better, becuase then
403 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
404 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
405 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
406 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
407
408 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
409 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
410
411
412 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
413 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
414 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
415 An *implicit parameter* cannot.  For example:
416         foo :: (?x :: [a]) => Int
417         foo = length ?x
418 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
419
420 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
421 propagate to the others.  E.g.
422         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
423         foo = show (?x++?x)
424 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
425 we might have
426         let ?x = 5::Int in foo
427 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
428 so we can take their type variables into account as part of the
429 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
430
431
432 Question 2: type signatures
433 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
434 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
435 to quantify over implicit parameters.  For example:
436
437         (?x + 1) :: Int
438
439 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
440
441         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
442
443 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
444 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
445 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
446 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
447
448 What about when you supply a type signature for a binding?
449 Is it legal to give the following explicit, user type 
450 signature to f, thus:
451
452         f :: Int -> Int
453         f x = (x::Int) + ?y
454
455 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
456 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
457 Consider this:
458
459         (let f x = (x::Int) + ?y
460          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
461
462                 returns (3+6, 3+5)
463 vs
464         (let f :: Int -> Int
465              f x = x + ?y
466          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
467
468                 returns (3+6, 3+6)
469
470 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
471 dynamic semantics.
472
473 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
474 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
475 change the typing you may change the semantics.
476
477 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
478 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
479 rule: 
480
481         a signature does not need to quantify over implicit params.
482
483 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
484 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
485 params for the reasons mentioned above.]
486
487 But that raises a new question.  Consider 
488
489         Given (signature)       ?x::Int
490         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
491
492 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
493 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
494 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
495 to float a constraint that
496         neither mentions any of the quantified type variables
497         nor any of the quantified implicit parameters
498
499 See the predicate isFreeWhenChecking.
500
501
502 Question 3: monomorphism
503 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
504 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
505
506         z = (x::Int) + ?y
507
508 The argument above suggests that we *must* generalise
509 over the ?y parameter, to get
510         z :: (?y::Int) => Int,
511 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
512         z :: Int.
513 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
514
515         let z = x + ?y in z+z
516
517 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
518 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
519
520
521 Question 4: top level
522 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
523 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
524
525     module Main where
526         main = let ?x = 5 in print foo
527
528         foo = woggle 3
529
530         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
531         woggle y = ?x + y
532
533 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
534 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
535
536
537 Possible choices
538 ~~~~~~~~~~~~~~~~
539 (A) Always generalise over implicit parameters
540     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
541         be generalised
542
543     Consequences:
544         * Inlining remains valid
545         * No unexpected loss of sharing
546         * But simple bindings like
547                 z = ?y + 1
548           will be rejected, unless you add an explicit type signature
549           (to avoid the monomorphism restriction)
550                 z :: (?y::Int) => Int
551                 z = ?y + 1
552           This seems unacceptable
553
554 (B) Monomorphism restriction "wins"
555     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
556         be generalised
557     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
558         that fall under the monomorphism restriction
559
560     Consequences
561         * Inlining isn't valid in general
562         * No unexpected loss of sharing
563         * Simple bindings like
564                 z = ?y + 1
565           accepted (get value of ?y from binding site)
566
567 (C) Always generalise over implicit parameters
568     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
569         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
570     Consequences
571         * Inlining remains valid
572         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
573         * Simple bindings like
574                 z = ?y + 1
575           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
576
577
578 Discussion
579 ~~~~~~~~~~
580 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
581 decide which we want to do.
582
583 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
584
585         z = (x::Int) + ?y
586
587 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
588 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
589 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
590 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
591 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
592 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
593
594 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
595 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
596 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
597 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
598 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
599 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
600 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
601 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
602 restriction altogether.
603
604 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
605
606
607
608 %************************************************************************
609 %*                                                                      *
610 \subsection{tcSimplifyInfer}
611 %*                                                                      *
612 %************************************************************************
613
614 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
615
616     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
617
618     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
619        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
620
621     3. Try improvement, using functional dependencies
622
623     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
624        (Unification can change the result of 'grow'.)
625
626 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
627 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
628 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
629 type variables than we absolutely have to.
630
631 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
632 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
633
634         class C x y | x->y where ...
635
636 and tcSimplify is called with:
637         (C Int a, C Int b)
638 Then improvement unifies a with b, giving
639         (C Int a, C Int a)
640
641 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
642 again.
643
644
645 \begin{code}
646 tcSimplifyInfer
647         :: SDoc
648         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
649         -> [Inst]               -- Wanted
650         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
651                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
652                 TcDictBinds)    -- Bindings
653         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
654 \end{code}
655
656
657 \begin{code}
658 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
659   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
660         ; wanted'  <- mappM zonkInst wanted     -- Zonk before deciding quantified tyvars
661         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
662         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
663               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
664               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
665                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
666
667                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
668                 -- constraints that don't mention qtvs at all
669         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
670         ; extendLIEs free
671
672                 -- To make types simple, reduce as much as possible
673         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
674                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
675         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
676
677                 -- Note [Inference and implication constraints]
678         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
679         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
680
681                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
682                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
683                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
684                 --    quantify over any variable free in the environment
685                 --    tc137 (function h inside g) is an example
686                 --
687                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
688                 --    mention quantified type variables, because they are
689                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
690                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
691                 --      g x = fst (f x)
692                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
693                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
694                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
695                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
696                 --    See test tcfail181
697                 --
698                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
699                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
700                 --          wanteds = Foo [a]
701                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
702                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
703         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
704         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
705                 -- Note that we start from gbl_tvs1
706                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
707                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
708                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
709                 --              gbl_tvs = {a}
710                 --              tau_tvs = {b}
711                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
712                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
713         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
714               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
715         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
716         ; extendLIEs free
717
718                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
719         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
720
721                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
722                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
723         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
724         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
725         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
726
727                 -- Prepare equality instances for quantification
728         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
729         ; q_eqs <- mappM finalizeEqInst q_eqs0
730
731         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
732         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
733         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
734
735 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
736 -- Note [Inference and implication constraints]
737 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
738 --      - fetching any dicts inside them that are free
739 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
740 --      - returning the extra ones too
741
742 approximateImplications doc want_dict irreds
743   | null extra_dicts 
744   = return (irreds, emptyBag)
745   | otherwise
746   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
747         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
748                 -- By adding extra_dicts', we make them 
749                 -- available to solve the implication constraints
750   where 
751     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
752
753     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
754         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
755         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
756     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
757
758     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
759                          | otherwise   = []
760     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
761         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
762               , d <- get_dicts wanteds 
763               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
764     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
765                            | otherwise   = [] 
766     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
767 \end{code}
768
769 Note [Inference and implication constraints]
770 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
771 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
772 a nested pattern match) like
773         C a => D [a]
774 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
775 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
776         instance (C a, E a) => D [a]
777 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
778 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
779 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
780 with 'given' implications.
781
782 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
783 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
784 the strange function get_dicts in approximateImplications.
785
786 The common cases are more clear-cut, when we have things like
787         forall a. C a => C b
788 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
789 Note [Freeness and implications].
790  
791 See Trac #1430 and test tc228.
792
793
794 \begin{code}
795 -----------------------------------------------------------
796 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
797 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
798 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
799 tcSimplifyInferCheck
800          :: InstLoc
801          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
802          -> [Inst]              -- Given
803          -> [Inst]              -- Wanted
804          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
805                  TcDictBinds)   -- Bindings
806
807 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
808   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
809         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
810
811         -- Figure out which type variables to quantify over
812         -- You might think it should just be the signature tyvars,
813         -- but in bizarre cases you can get extra ones
814         --      f :: forall a. Num a => a -> a
815         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
816         --      g a b = (b,a)
817         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
818         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
819         -- f isn't quantified over b.
820         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
821         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
822         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
823         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
824                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
825                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
826                 -- dictionaries, we quantify over
827
828         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
829
830                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
831         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
832
833         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
834         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
835 \end{code}
836
837 Note [Squashing methods]
838 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
839 Be careful if you want to float methods more:
840         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
841 From an application (truncate f i) we get
842         t1 = truncate at f
843         t2 = t1 at i
844 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
845         t3 = truncate at f
846         t4 = t3 at i
847 When simplifying with i,f free, we might still notice that
848 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
849 may continue to float out!
850
851
852 Note [NO TYVARS]
853 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
854         class Y a b | a -> b where
855             y :: a -> X b
856         
857         instance Y [[a]] a where
858             y ((x:_):_) = X x
859         
860         k :: X a -> X a -> X a
861
862         g :: Num a => [X a] -> [X a]
863         g xs = h xs
864             where
865             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
866
867 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
868 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
869 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
870 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
871 polymorphic in.  
872
873 The net effect of [NO TYVARS] 
874
875 \begin{code}
876 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
877 isFreeWhenInferring qtvs inst
878   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
879   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
880                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
881
882 {-      No longer used (with implication constraints)
883 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
884                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
885                    -> Inst -> Bool
886 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
887   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
888   && isFreeWrtIPs    ips inst
889 -}
890
891 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
892 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
893 \end{code}
894
895
896 %************************************************************************
897 %*                                                                      *
898 \subsection{tcSimplifyCheck}
899 %*                                                                      *
900 %************************************************************************
901
902 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
903 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
904
905 \begin{code}
906 -----------------------------------------------------------
907 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
908 -- class decls, instance decls etc.
909 tcSimplifyCheck :: InstLoc
910                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
911                 -> [Inst]               -- Given
912                 -> [Inst]               -- Wanted
913                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
914 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
915   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
916     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
917         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
918         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
919         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
920
921 -----------------------------------------------------------
922 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
923 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
924                    -> [CoVar] -> Refinement
925                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
926                    -> [Inst]            -- Given
927                    -> [Inst]            -- Wanted
928                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
929 tcSimplifyCheckPat loc co_vars reft qtvs givens wanteds
930   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
931     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
932         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
933         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs co_vars reft 
934                                     givens irreds
935         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
936
937 -----------------------------------------------------------
938 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
939            -> [Inst] -> [Inst]
940            -> TcM TcDictBinds
941 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
942   = bindIrredsR loc qtvs [] emptyRefinement givens irreds
943
944 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
945             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
946             -> TcM TcDictBinds  
947 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
948 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
949 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
950   | null irreds
951   = return emptyBag
952   | otherwise
953   = do  { let givens' = filter isDict givens
954                 -- The givens can include methods
955                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
956
957            -- If there are no 'givens' *and* the refinement is empty
958            -- (the refinement is like more givens), then it's safe to 
959            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
960            -- See Note [Freeness and implications]
961         ; irreds' <- if null givens' && isEmptyRefinement reft
962                      then do
963                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
964                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
965                         ; extendLIEs frees
966                         ; return real_irreds }
967                      else return irreds
968         
969         ; let all_tvs = qtvs ++ co_vars -- Abstract over all these
970         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc all_tvs reft givens' irreds'
971                         -- This call does the real work
972                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
973         ; extendLIEs implics
974         ; return bind } 
975
976
977 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar] -> Refinement
978                     -> [Inst] -> [Inst]
979                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
980 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
981 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
982 -- The binding looks like
983 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
984 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
985 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
986 -- qtvs includes coercion variables
987 --
988 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
989 makeImplicationBind loc all_tvs reft
990                     givens      -- Guaranteed all Dicts (TOMDO: true?)
991                     irreds
992  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
993  = return ([], emptyBag)
994  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
995  = do   { uniq <- newUnique 
996         ; span <- getSrcSpanM
997         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
998               eq_tyvar_cos =  map TyVarTy $ uniqSetToList $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens
999         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
1000               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name, tci_reft = reft,
1001                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1002                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1003                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
1004         ; let   -- only create binder for dict_irreds
1005               (eq_irreds, dict_irreds) = partition isEqInst irreds
1006               n_dict_irreds = length dict_irreds
1007               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1008               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_dict_irreds (map idType dict_irred_ids)
1009               pat = TuplePat (map nlVarPat dict_irred_ids) Boxed tup_ty
1010               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1011               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens) <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1012               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1013                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
1014                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1015                                                   pat_rhs_ty = tup_ty,
1016                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1017         ; -- pprTrace "Make implic inst" (ppr (implic_inst,irreds,dict_irreds,tup_ty)) $
1018           return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) }
1019
1020 -----------------------------------------------------------
1021 tryHardCheckLoop :: SDoc
1022              -> [Inst]                  -- Wanted
1023              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1024
1025 tryHardCheckLoop doc wanteds
1026   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
1027        ; return (irreds,binds)
1028        }
1029   where
1030     try_me inst = ReduceMe AddSCs
1031         -- Here's the try-hard bit
1032
1033 -----------------------------------------------------------
1034 gentleCheckLoop :: InstLoc
1035                -> [Inst]                -- Given
1036                -> [Inst]                -- Wanted
1037                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1038
1039 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1040   = do { (irreds,binds,_) <- checkLoop env wanteds
1041        ; return (irreds,binds)
1042        }
1043   where
1044     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1045
1046     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1047                 | otherwise          = Stop
1048         -- When checking against a given signature 
1049         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1050
1051 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1052                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1053 gentleInferLoop doc wanteds
1054   = do  { (irreds, binds, _) <- checkLoop env wanteds
1055         ; return (irreds, binds) }
1056   where
1057     env = mkRedEnv doc try_me []
1058     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1059                 | otherwise          = Stop
1060 \end{code}
1061
1062 Note [Check gently]
1063 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1064 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1065 Example:  
1066   data T a where
1067     MkT :: a -> T [a]
1068
1069   f :: Show b => T b -> b
1070   f (MkT x) = show [x]
1071
1072 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1073         b ~ [a]
1074 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1075 need it.  We are going to build an implication contraint
1076         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1077 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1078         
1079 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1080 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1081 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1082 work until top level, when we solve the implication constraint
1083 with tryHardCheckLooop.
1084
1085
1086 \begin{code}
1087 -----------------------------------------------------------
1088 checkLoop :: RedEnv
1089           -> [Inst]                     -- Wanted
1090           -> TcM ([Inst], TcDictBinds,
1091                   [Inst])               -- needed givens
1092 -- Precondition: givens are completely rigid
1093 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1094
1095 checkLoop env wanteds
1096   = go env wanteds []
1097   where go env wanteds needed_givens
1098           = do {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1099                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1100                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1101         
1102                 ; (improved, binds, irreds, more_needed_givens) <- reduceContext env' wanteds'
1103
1104                 ; let all_needed_givens = needed_givens ++ more_needed_givens
1105         
1106                 ; if not improved then
1107                      return (irreds, binds, all_needed_givens)
1108                   else do
1109         
1110                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1111                 -- We start again with irreds, not wanteds
1112                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
1113                 -- which might have been unified, so we'd get an infinite loop
1114                 -- if we started again with wanteds!  See Note [LOOP]
1115                 { (irreds1, binds1, all_needed_givens1) <- go env' irreds all_needed_givens
1116                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1, all_needed_givens1) } }
1117 \end{code}
1118
1119 Note [Zonking RedEnv]
1120 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1121 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1122 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1123 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1124 testsuite is
1125
1126   class Modular s a | s -> a
1127
1128   wim ::  forall a w. Integral a 
1129                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1130   wim i k = error "urk"
1131
1132   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1133   test5  =   error "urk"
1134
1135   test4   =   wim 4 test4'
1136
1137 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1138 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1139 whether the signature of test5 is an instance of 
1140
1141   (forall s. Modular s a => M s w)
1142
1143 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1144 givens. 
1145
1146 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1147 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1148 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1149 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1150 TcGadt.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1151
1152
1153 Note [LOOP]
1154 ~~~~~~~~~~~
1155         class If b t e r | b t e -> r
1156         instance If T t e t
1157         instance If F t e e
1158         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1159         instance Lte Z b T
1160         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1161
1162 Wanted: Max Z (S x) y
1163
1164 Then we'll reduce using the Max instance to:
1165         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1166 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1167 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1168 with (Max Z (S x) y)!
1169
1170
1171
1172 %************************************************************************
1173 %*                                                                      *
1174                 tcSimplifySuperClasses
1175 %*                                                                      *
1176 %************************************************************************
1177
1178 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1179 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1180 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1181 accidentally build a loop. Here's an example:
1182
1183   class S a
1184
1185   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1186   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1187   
1188   instance C Int where
1189      opc = opd
1190   
1191   instance D Int where
1192      opd = opc
1193
1194 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1195 Simplifying, we may well get:
1196         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1197         dd  = $dfDInt
1198         ds1 = $p1 dd
1199 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1200
1201 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1202
1203         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1204         dc  = $dfCInt
1205         ds2 = $p1 dc
1206
1207 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1208
1209 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1210 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1211
1212 Two more nasty cases are in
1213         tcrun021
1214         tcrun033
1215
1216 \begin{code}
1217 tcSimplifySuperClasses 
1218         :: InstLoc 
1219         -> [Inst]       -- Given 
1220         -> [Inst]       -- Wanted
1221         -> TcM TcDictBinds
1222 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1223   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1224         ; (irreds,binds1,_) <- checkLoop env sc_wanteds
1225         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1226         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1227         ; return binds1 }
1228   where
1229     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1230     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1231         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1232 \end{code}
1233
1234
1235 %************************************************************************
1236 %*                                                                      *
1237 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1238 %*                                                                      *
1239 %************************************************************************
1240
1241 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1242 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1243
1244 Eg1:    id = \x -> x
1245         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1246         
1247 Eg2:    eq = (==)
1248         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1249         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1250
1251 So, assume:
1252         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1253         RHS has constraints 'wanteds'
1254
1255 Plan A (simple)
1256   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1257   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1258   where we have         instance Monad (ST s) where...
1259   so there's no need to be monomorphic in s!
1260
1261   Also the constraint might be a method constraint,
1262   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1263           op :: Num a => a -> b -> a
1264   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1265         foo = op (3::Int)
1266   We want to infer the polymorphic type
1267         foo :: forall b. b -> b
1268
1269
1270 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1271   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1272   with Plan A's problem).  Then set
1273         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1274
1275   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1276   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1277   The reasons for this is to maximise sharing.
1278
1279   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1280   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1281   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1282   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1283   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1284   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1285   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1286
1287   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1288   the problem.
1289
1290
1291 Plan C (brutal)
1292   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1293   with Plan A's problem).  Then set
1294         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1295   Return the bindings from Step 1.
1296   
1297
1298 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1299 Consider this:
1300
1301       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1302
1303       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1304
1305       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1306       doDecodeIO codedValue view  
1307         = let { act = foo "foo" } in  act
1308
1309 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1310 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1311 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1312 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1313
1314 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1315 plan D
1316
1317
1318 Plan D (a variant of plan B)
1319   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1320   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1321         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1322
1323   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1324   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1325
1326   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1327   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1328   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1329   can always add a signature.  
1330
1331   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1332   improvement.
1333
1334
1335 \begin{code}
1336 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1337                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1338         :: SDoc
1339         -> TopLevelFlag
1340         -> [Name]               -- Things bound in this group
1341         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1342         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1343         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1344                 TcDictBinds)    -- Bindings
1345         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1346         -- quantify over; by definition there are none.
1347         -- They are all thrown back in the LIE
1348
1349 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1350         -- Zonk everything in sight
1351   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1352         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1353
1354         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1355         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1356         -- variables as possible, and we don't want to stop
1357         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1358         -- immediately, with no constraint on s.
1359         --
1360         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1361         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1362         --          a method Inst with an equality constraint
1363         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1364         ; (_imp, _binds, constrained_dicts, _) <- reduceContext env wanteds'
1365
1366         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1367         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1368         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1369         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1370
1371         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1372                                 -- As in tcSimplifyInfer
1373
1374                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1375                 -- this is the monomorphism restriction
1376               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1377               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1378               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1379
1380         -- Warn in the mono
1381         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1382         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1383                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1384                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1385                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1386
1387         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1388                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1389                 ppr _binds,
1390                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1391
1392         -- The first step may have squashed more methods than
1393         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1394         -- set of type variables to quantify over.
1395         --
1396         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1397         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1398         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1399         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1400         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1401         --
1402         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1403         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1404         -- just to float all constraints
1405         --
1406         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1407         -- expose implicit parameters to the test that follows
1408         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1409               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1410                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1411                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1412               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1413         ; (_imp, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1414
1415         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1416         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1417           if is_nested_group then
1418                 extendLIEs irreds
1419           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1420                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1421                   ; extendLIEs non_ips }
1422
1423         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1424         ; return (qtvs', binds) }
1425 \end{code}
1426
1427
1428 %************************************************************************
1429 %*                                                                      *
1430                 tcSimplifyRuleLhs
1431 %*                                                                      *
1432 %************************************************************************
1433
1434 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1435 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1436 as the available stuff for the RHS of the rule.
1437
1438 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1439         
1440         f (x == y) (y > z) = ...
1441
1442 If we typecheck this expression we get constraints
1443
1444         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1445
1446 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1447
1448         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1449           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1450
1451 Instead we want 
1452
1453         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1454           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1455
1456 Here is another example:
1457
1458         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1459         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1460
1461 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1462 we *dont* want to get
1463
1464         forall dIntegralInt.
1465            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1466
1467 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1468
1469         forall dIntegralInt, dNumInt.
1470           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1471
1472 Even if we have 
1473
1474         g (x == y) (y == z) = ..
1475
1476 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1477
1478         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1479           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1480
1481 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1482 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1483
1484 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1485 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1486 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1487
1488 \begin{code}
1489 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1490 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1491   = go [] emptyBag wanteds
1492   where
1493     go dicts binds []
1494         = return (dicts, binds)
1495     go dicts binds (w:ws)
1496         | isDict w
1497         = go (w:dicts) binds ws
1498         | otherwise
1499         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1500                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1501              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1502              ; case lookup_result of
1503                  GenInst ws' rhs -> 
1504                    go dicts (addInstToDictBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1505                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1506           }
1507 \end{code}
1508
1509 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1510 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1511 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1512 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1513 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1514 this bracket again at its usage site.
1515
1516 \begin{code}
1517 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1518 tcSimplifyBracket wanteds
1519   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1520         ; return () }
1521   where
1522     doc = text "tcSimplifyBracket"
1523 \end{code}
1524
1525
1526 %************************************************************************
1527 %*                                                                      *
1528 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1529 %*                                                                      *
1530 %************************************************************************
1531
1532 When we have
1533         let ?x = R in B
1534
1535 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1536 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1537
1538 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1539
1540         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1541         let ?x = 3 in f 'c'
1542
1543 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1544 force the binding for ?x to be of type Int.
1545
1546 \begin{code}
1547 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1548               -> [Inst]         -- Wanted
1549               -> TcM TcDictBinds
1550         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1551         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1552         --      let ?x = e in ?x
1553         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1554         -- makes them the same.
1555
1556 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1557   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1558         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1559                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1560
1561         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1562         ; (improved, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1563
1564         ; if not improved then 
1565                 ASSERT( all is_free irreds )
1566                 do { extendLIEs irreds
1567                    ; return binds }
1568           else
1569                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1570   where
1571     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1572     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1573     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1574
1575         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1576     try_me inst | is_free inst = Stop
1577                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1578 \end{code}
1579
1580
1581 %************************************************************************
1582 %*                                                                      *
1583 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1584 %*                                                                      *
1585 %************************************************************************
1586
1587 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1588 For example, we might have...
1589 \begin{verbatim}
1590 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1591     f.1 = f Int     -- two instances of f
1592     f.2 = f Float
1593  in
1594     (f.1 5, f.2 6.7)
1595 \end{verbatim}
1596 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1597 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1598 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1599 there, they would have unresolvable references to @f@.
1600
1601 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1602 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1603 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1604 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1605
1606 \begin{code}
1607 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1608 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1609 --      fm = f tys dicts
1610 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1611 --      d1 = d2
1612 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1613 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1614
1615 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1616   | null overloaded_ids
1617         -- Common case
1618   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1619     returnM emptyLHsBinds
1620
1621   | otherwise
1622   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1623         ; extendLIEs not_for_me 
1624         ; extendLIEs irreds
1625         ; return binds }
1626   where
1627     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1628     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1629     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1630     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1631
1632     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1633                                                 -- so it's worth building a set, so that
1634                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1635 \end{code}
1636
1637
1638 %************************************************************************
1639 %*                                                                      *
1640 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1641 %*                                                                      *
1642 %************************************************************************
1643
1644 The main control over context reduction is here
1645
1646 \begin{code}
1647 data RedEnv 
1648   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1649            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1650            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1651            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1652                                                 -- Always dicts
1653                                                 -- but see Note [Rigidity]
1654            , red_reft :: Refinement             -- The refinement to apply to the 'givens'
1655                                                 -- You should think of it as 'given equalities'
1656            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1657                                                 -- See Note [RedStack]
1658   }
1659
1660 -- Note [Rigidity]
1661 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1662 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1663 --      let ?x = e in ...
1664 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1665 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1666
1667 -- Note [RedStack]
1668 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1669 -- 'n' is always the depth of the stack.
1670 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1671 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1672
1673
1674 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1675 mkRedEnv doc try_me givens
1676   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1677              red_givens = givens, 
1678              red_reft = emptyRefinement,
1679              red_stack = (0,[]),
1680              red_improve = True }       
1681
1682 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1683 -- Do not do improvement; no givens
1684 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1685   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1686              red_givens = [], red_reft = emptyRefinement,
1687              red_stack = (0,[]),
1688              red_improve = True }       
1689
1690 data WhatToDo
1691  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1692                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1693                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1694                         -- message of any kind.
1695                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1696
1697  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1698                         -- be reduced to a constant in one step
1699                         -- Do not add superclasses; see 
1700
1701 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1702                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1703         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1704         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1705
1706 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1707 zonkRedEnv env 
1708   = do { givens' <- mappM zonkInst (red_givens env)
1709        ; return $ env {red_givens = givens'}
1710        }
1711 \end{code}
1712
1713
1714 %************************************************************************
1715 %*                                                                      *
1716 \subsection[reduce]{@reduce@}
1717 %*                                                                      *
1718 %************************************************************************
1719
1720 Note [Ancestor Equalities]
1721 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1722 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1723 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1724 class constraints.  Consider the following code
1725
1726   class a ~ Int => C a
1727   instance C Int
1728
1729 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1730 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1731 discharge with the explicit instance.
1732
1733 \begin{code}
1734 reduceContext :: RedEnv
1735               -> [Inst]                 -- Wanted
1736               -> TcM (ImprovementDone,
1737                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1738                       [Inst],           -- Irreducible
1739                       [Inst])           -- Needed givens
1740
1741 reduceContext env wanteds
1742   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1743              text "----------------------",
1744              red_doc env,
1745              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1746              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1747              text "----------------------"
1748              ]))
1749
1750
1751         ; let givens                      = red_givens env
1752               (given_eqs0, given_dicts0)  = partition isEqInst givens
1753               (wanted_eqs0, wanted_dicts) = partition isEqInst wanteds
1754
1755           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1756           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1757           -- See Note [Ancestor Equalities]
1758         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanted_dicts
1759         ; let wanted_eqs = wanted_eqs0 ++ ancestor_eqs
1760         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1761
1762           -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1763         ; (given_eqs, eliminate_skolems) <- normaliseGivenEqs given_eqs0
1764
1765           -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1766           --    wrt. the toplevel and given equations
1767         ; (given_dicts, given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs 
1768                                                             given_dicts0
1769
1770           -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1771         ; eq_irreds0 <- solveWantedEqs given_eqs wanted_eqs 
1772
1773           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to
1774           --    each other 
1775         ; eq_irreds <- normaliseWantedEqs eq_irreds0
1776
1777           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1778           --    Add dicts refined by the current type refinement
1779         ; init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1780         ; let reft = red_reft env
1781         ; init_state <- if isEmptyRefinement reft then return init_state
1782                         else foldlM (addRefinedGiven reft)
1783                                     init_state given_dicts
1784
1785           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints
1786           --    This may expose some further equational constraints...
1787         ; wanted_dicts' <- zonkInsts wanted_dicts
1788         ; avails <- reduceList env wanted_dicts' init_state
1789         ; (binds, irreds0, needed_givens) <- extractResults avails wanted_dicts'
1790         ; traceTc $ text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1791                       [ppr avails,ppr wanted_dicts',ppr binds,ppr needed_givens]
1792
1793           -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1794           --    wrt. the toplevel and given equations
1795         ; (irreds1,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs irreds0
1796
1797           -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1798         ; (irreds,normalise_binds2) <- substEqInDictInsts eq_irreds irreds1
1799                 
1800           -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1801         ; eliminate_skolems     
1802
1803           -- If there was some FD improvement,
1804           -- or new wanted equations have been exposed,
1805           -- we should have another go at solving.
1806         ; let improved = availsImproved avails 
1807                          || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1808                          || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1809                          || (any isEqInst irreds)
1810
1811         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1812              text "----------------------",
1813              red_doc env,
1814              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1815              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1816              text "----",
1817              text "avails" <+> pprAvails avails,
1818              text "improved =" <+> ppr improved,
1819              text "irreds = " <+> ppr irreds,
1820              text "binds = " <+> ppr binds,
1821              text "needed givens = " <+> ppr needed_givens,
1822              text "----------------------"
1823              ]))
1824
1825         ; return (improved, 
1826                   given_binds `unionBags` normalise_binds1 
1827                               `unionBags` normalise_binds2 
1828                               `unionBags` binds, 
1829                   irreds ++ eq_irreds, 
1830                   needed_givens) 
1831         }
1832
1833 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1834 tcImproveOne avails inst
1835   | not (isDict inst) = return False
1836   | otherwise
1837   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1838         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1839                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1840                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1841                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1842                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1843                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1844                 -- It does not have duplicates (good)
1845                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1846                 --    so that improve will see them separate
1847         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1848         ; unifyEqns eqns }
1849
1850 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1851           -> TcM ImprovementDone
1852 unifyEqns [] = return False
1853 unifyEqns eqns
1854   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1855         ; mappM_ unify eqns
1856         ; return True }
1857   where
1858     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1859          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2)   $
1860            tcInstTyVars (varSetElems qtvs)      `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1861            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1862     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1863
1864 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1865
1866 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1867   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1868         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1869         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1870                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1871                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1872         ; return (tidy_env, msg) }
1873 \end{code}
1874
1875 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1876
1877 \begin{code}
1878 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1879 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1880   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1881         ; dopts <- getDOpts
1882 #ifdef DEBUG
1883         ; if n > 8 then
1884                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1885                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1886           else return ()
1887 #endif
1888         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1889             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1890           else
1891             go wanteds state }
1892   where
1893     go []     state = return state
1894     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1895                          ; go ws state' }
1896
1897     -- Base case: we're done!
1898 reduce env wanted avails
1899     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1900   | Just avail <- findAvail avails wanted
1901   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1902        ; returnM avails 
1903        }
1904
1905   | otherwise
1906   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
1907         ; case red_try_me env wanted of {
1908             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1909                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1910
1911             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1912                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1913                 ; case lookup_result of
1914                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1915                              -- Add it and its superclasses
1916                              
1917                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1918
1919                     GenInst wanteds' rhs 
1920                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1921                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1922                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1923                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1924                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1925                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1926                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1927                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1928                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1929                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1930                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1931     } }
1932   where
1933         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1934         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1935         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1936     try_simple do_this_otherwise
1937       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1938            ; case res of
1939                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1940                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1941 \end{code}
1942
1943
1944 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1945 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1946 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1947 and want to deduce (d2:C [a]) where
1948
1949         class Ord a => C a where
1950         instance Ord [a] => C [a] where ...
1951
1952 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1953 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1954 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1955 build a loop! 
1956
1957 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1958         class Monad m => C1 m
1959         class C1 m => C2 m x
1960         instance C2 Maybe Bool
1961 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1962 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1963 before we search for C1 Maybe.
1964
1965 Here's another example 
1966         class Eq b => Foo a b
1967         instance Eq a => Foo [a] a
1968 If we are reducing
1969         (Foo [t] t)
1970
1971 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1972 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1973
1974 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1975 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1976 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1977 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1978 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
1979 first time, but reducible next time.
1980
1981 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1982 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1983
1984
1985 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1986 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1987 Consider 
1988     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1989     
1990     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1991         ZeroD     == ZeroD     = True
1992         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1993         _         == _         = False;
1994     
1995     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1996     equalDC = (==);
1997
1998 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1999
2000         d1 : Eq (D [])
2001
2002 by instance decl, holds if
2003         d2 : Eq [D []]
2004         where   d1 = dfEqD d2
2005
2006 by instance decl of Eq, holds if
2007         d3 : D []
2008         where   d2 = dfEqList d3
2009                 d1 = dfEqD d2
2010
2011 But now we can "tie the knot" to give
2012
2013         d3 = d1
2014         d2 = dfEqList d3
2015         d1 = dfEqD d2
2016
2017 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2018 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2019 contributing clauses.
2020         
2021
2022 %************************************************************************
2023 %*                                                                      *
2024                 Reducing a single constraint
2025 %*                                                                      *
2026 %************************************************************************
2027
2028 \begin{code}
2029 ---------------------------------------------
2030 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2031 reduceInst env avails (ImplicInst { tci_name = name,
2032                                     tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft, tci_loc = loc,
2033                                     tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2034   = reduceImplication env avails name reft tvs extra_givens wanteds loc
2035
2036 reduceInst env avails other_inst
2037   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2038         ; return (avails, result) }
2039 \end{code}
2040
2041 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2042 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2043
2044 An implication constraint is of the form 
2045         Given => Wanted 
2046 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2047 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2048 is distinct:
2049
2050 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2051    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2052    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2053    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2054
2055 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2056    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2057    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2058    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2059    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2060    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2061
2062 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2063 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2064 which are types.
2065
2066 \begin{code}
2067 ---------------------------------------------
2068 reduceImplication :: RedEnv
2069                  -> Avails
2070                  -> Name
2071                  -> Refinement  -- May refine the givens; often empty
2072                  -> [TcTyVar]   -- Quantified type variables; all skolems
2073                  -> [Inst]      -- Extra givens; all rigid
2074                  -> [Inst]      -- Wanted
2075                  -> InstLoc
2076                  -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2077 \end{code}
2078
2079 Suppose we are simplifying the constraint
2080         forall bs. extras => wanted
2081 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
2082 and refinment 'reft'.
2083
2084 Note that
2085   * The refinement is often empty
2086
2087   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
2088         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2089                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2090
2091     This happens when you have something like
2092         data T a where
2093           T1 :: Eq a => a -> T a
2094
2095         f :: T a -> Int
2096         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2097
2098 \begin{code}
2099         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2100         --
2101         -- Note on coercion variables:
2102         --
2103         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2104         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2105         --              the solved equational constraints use these binders
2106         --
2107         --      -) at the solving site of the implication constraint
2108         --              the solved dictionaries use these binders               
2109         --              these binders are generated by reduceImplication
2110         --
2111 reduceImplication env orig_avails name reft tvs extra_givens wanteds inst_loc
2112   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
2113                 -- Todo fix this 
2114 --        (refined_red_givens,refined_avails)
2115 --              <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env,orig_avails)
2116 --                 else foldlM (addRefinedGiven reft) ([],orig_avails) (red_givens env)
2117 --      Commented out SLPJ Sept 07; see comment with extractLocalResults below
2118           let refined_red_givens = []
2119
2120                 -- Solve the sub-problem
2121         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
2122               env' = env { red_givens = extra_givens ++ availsInsts orig_avails
2123                          , red_reft = reft
2124                          , red_doc = sep [ptext SLIT("reduceImplication for") <+> ppr name,
2125                                           nest 2 (parens $ ptext SLIT("within") <+> red_doc env)]
2126                          , red_try_me = try_me }
2127
2128         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2129                         [ ppr orig_avails,
2130                           ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2131                           ppr reft, ppr wanteds])
2132         ; (irreds,binds,needed_givens0) <- checkLoop env' wanteds
2133         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2134                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2135                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2136                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2137
2138                 -- needed_givens0 is the free vars of the bindings
2139                 -- Remove the ones we are going to lambda-bind
2140                 -- Use the actual dictionary identity *not* equality on Insts
2141                 -- (Mind you, it should make no difference here.)
2142         ; let needed_givens = [ng | ng <- needed_givens0
2143                                    , instToVar ng `notElem` dict_ids]
2144
2145                 -- Note [Reducing implication constraints]
2146                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2147
2148         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2149                         [ppr irreds, ppr binds, ppr needed_givens])
2150
2151         ; -- extract superclass binds
2152           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2153 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2154 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2155 --  
2156
2157                 -- We always discard the extra avails we've generated;
2158                 -- but we remember if we have done any (global) improvement
2159 --      ; let ret_avails = avails
2160         ; let ret_avails = orig_avails
2161 --      ; let ret_avails = updateImprovement orig_avails avails
2162
2163         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2164         -- Then we must iterate the outer loop too!
2165
2166         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2167
2168 --      Progress is no longer measered by the number of bindings
2169 --      ; if isEmptyLHsBinds binds then         -- No progress
2170         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then 
2171                 return (ret_avails, NoInstance)
2172           else do
2173         { 
2174         ; (implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens irreds
2175                         -- This binding is useless if the recursive simplification
2176                         -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2177                         -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2178                         -- when inferring types.
2179
2180         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2181                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2182                 --  we need a different evidence for given
2183                 --  equations depending on whether we solve
2184                 --  dictionary constraints or equational constraints
2185
2186                 eq_tyvars = uniqSetToList $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2187                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2188                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2189                         --              it makes no difference
2190                 -- dict_ids = map instToId extra_givens
2191                 co  = mkWpTyLams tvs <.> mkWpTyLams eq_tyvars <.> mkWpLams dict_ids <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2192                 rhs = mkHsWrap co payload
2193                 loc = instLocSpan inst_loc
2194                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2195                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2196
2197         
2198         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2199                          ppr implic_insts,
2200                          text "->" <+> sep [ppr needed_givens, ppr rhs]])
2201                 -- If there are any irreds, we back off and return NoInstance
2202         ; return (ret_avails, GenInst (implic_insts ++ needed_givens) (L loc rhs))
2203         } 
2204     }
2205 \end{code}
2206
2207 Note [Reducing implication constraints]
2208 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2209 Suppose we are trying to simplify
2210         ( do: Ord a, 
2211           ic: (forall b. C a b => (W [a] b, D c b)) )
2212 where
2213         instance (C a b, Ord a) => W [a] b
2214 When solving the implication constraint, we'll start with
2215         Ord a -> Irred
2216 in the Avails.  Then we add (C a b -> Given) and solve. Extracting
2217 the results gives us a binding for the (W [a] b), with an Irred of 
2218 (Ord a, D c b).  Now, the (Ord a) comes from "outside" the implication,
2219 but the (D d b) is from "inside".  So we want to generate a GenInst
2220 like this
2221
2222    ic = GenInst 
2223            [ do  :: Ord a,
2224              ic' :: forall b. C a b => D c b]
2225            (/\b \(dc:C a b). (df a b dc do, ic' b dc))
2226
2227 The first arg of GenInst gives the free dictionary variables of the
2228 second argument -- the "needed givens".  And that list in turn is
2229 vital because it's used to determine what other dicts must be solved.
2230 This very list ends up in the second field of the Rhs, and drives
2231 extractResults.
2232
2233 The need for this field is why we have to return "needed givens"
2234 from extractResults, reduceContext, checkLoop, and so on.
2235
2236 NB: the "needed givens" in a GenInst or Rhs, may contain two dicts
2237 with the same type but different Ids, e.g. [d12 :: Eq a, d81 :: Eq a]
2238 That says we must generate a binding for both d12 and d81.
2239
2240 The "inside" and "outside" distinction is what's going on with 'inner' and
2241 'outer' in reduceImplication
2242
2243
2244 Note [Freeness and implications]
2245 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2246 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2247         forall {} Eq a => Foo [a]
2248 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2249 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2250
2251 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2252 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2253         forall {a}. () => Bar b
2254 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2255 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2256 must be much more careful:
2257         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2258 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2259 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2260
2261 Here is an even more exotic example
2262         class C a => D a b
2263 Now consider the constraint
2264         forall b. D Int b => C Int
2265 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2266 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2267 the constraints!
2268
2269 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2270 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2271 Suppose we are about to form the implication constraint
2272         forall tvs.  Eq a => Ord b
2273 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2274 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2275
2276 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2277 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2278 advantage of that at the moment.
2279
2280 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2281
2282
2283 %************************************************************************
2284 %*                                                                      *
2285                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2286 %*                                                                      *
2287 %************************************************************************
2288
2289
2290 \begin{code}
2291 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2292
2293 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2294                                 -- so some Irreds might now be reducible
2295                                 -- keys that are now 
2296
2297 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2298 data AvailHow
2299   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2300                         -- which are going to be lambda bound
2301
2302   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2303                         -- e.g. those "given" in a signature
2304
2305   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2306         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2307         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2308
2309 instance Outputable Avails where
2310   ppr = pprAvails
2311
2312 pprAvails (Avails imp avails)
2313   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2314          , nest 2 $ braces $ 
2315            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2316                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2317
2318 instance Outputable AvailHow where
2319     ppr = pprAvail
2320
2321 -------------------------
2322 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2323 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2324 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2325 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2326                                nest 2 (ppr rhs)]
2327
2328 -------------------------
2329 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2330 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2331
2332 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2333 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2334         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2335         --  *not* by unique.  So
2336         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2337
2338 emptyAvails :: Avails
2339 emptyAvails = Avails False emptyFM
2340
2341 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2342 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2343
2344 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2345 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2346
2347 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2348 -- Does improvement
2349 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail 
2350   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2351         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2352
2353 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2354 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2355
2356 availsImproved (Avails imp _) = imp
2357
2358 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2359 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2360 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2361 \end{code}
2362
2363 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2364 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2365 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2366 dependency analyser can sort them out later
2367
2368 \begin{code}
2369 extractResults :: Avails
2370                -> [Inst]                -- Wanted
2371                -> TcM ( TcDictBinds,    -- Bindings
2372                         [Inst],         -- Irreducible ones
2373                         [Inst])         -- Needed givens, i.e. ones used in the bindings
2374                         -- Postcondition: needed-givens = free vars( binds ) \ irreds
2375                         --                needed-gives is subset of Givens in incoming Avails
2376                         -- Note [Reducing implication constraints]
2377
2378 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2379   = go avails emptyBag [] [] wanteds
2380   where
2381     go :: AvailEnv -> TcDictBinds -> [Inst] -> [Inst] -> [Inst]
2382         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2383     go avails binds irreds givens [] 
2384       = returnM (binds, irreds, givens)
2385
2386     go avails binds irreds givens (w:ws)
2387       = case findAvailEnv avails w of
2388           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2389                      go avails binds irreds givens ws
2390
2391           Just (Given g) -> go (avails_with g g_id)
2392                                (add_triv_bind g_id)
2393                                irreds (g:givens) ws 
2394                         -- avail_with g ensures that we don't emit the
2395                         -- same given twice into needed-givens
2396                 where
2397                   g_id = instToId g
2398
2399           Just IsIrred -> go (avails_with w w_id) binds (w:irreds) givens ws
2400
2401                 -- The avails_with_w handles the case where we want (Ord a, Eq a), and we
2402                 -- don't want to emit *two* Irreds for Ord a, one via the superclass chain
2403                 -- This showed up in a dupliated Ord constraint in the error message for 
2404                 --      test tcfail043
2405                 -- More generally, we don't want to emit two irreds with 
2406                 -- the same type
2407
2408           Just (Rhs rhs@(L _ (HsVar g_id)) ws') 
2409                 -> go avails (add_triv_bind g_id) irreds givens (ws' ++ ws)
2410
2411           Just (Rhs rhs ws') 
2412                 -> go (avails_with w w_id) (add_bind rhs)
2413                       irreds givens (ws' ++ ws)
2414           -- The avails-with w replaces a complex RHS with a simple one
2415           -- for the benefit of subsequent lookups
2416       where
2417         w_id = instToId w       
2418
2419         add_triv_bind rhs_id | rhs_id == w_id = binds
2420                              | otherwise = add_bind (nlHsVar rhs_id)
2421                 -- The sought Id can be one of the givens, via a
2422                 -- superclass chain and then we definitely don't 
2423                 -- want to generate an x=x binding!
2424
2425         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2426         avails_with w w_id = extendAvailEnv avails w (Rhs (nlHsVar w_id) [])
2427 \end{code}
2428
2429
2430 Note [No superclasses for Stop]
2431 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2432 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2433 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2434 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2435         df::Floating a
2436         dn::Num a
2437 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2438 here lest we lose sharing.
2439
2440 \begin{code}
2441 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2442 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2443   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2444   where
2445     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2446
2447 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2448 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given given)
2449         -- Always add superclasses for 'givens'
2450         --
2451         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2452         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2453         -- so the assert isn't true
2454
2455 addRefinedGiven :: Refinement -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2456 addRefinedGiven reft avails given
2457   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2458                         -- are always optional, so we can drop them
2459   , let pred = dictPred given
2460   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2461   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2462   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2463         ; let rhs = L (instSpan given) $
2464                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2465         ; addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given]) }
2466             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2467             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2468             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2469   | otherwise
2470   = return avails
2471 \end{code}
2472
2473 Note [ImplicInst rigidity]
2474 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2475 Consider
2476         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2477         
2478         ...(case x of C v -> <body>)...
2479
2480 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2481         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2482 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2483 of form
2484         forall c. <reft> => <payload>
2485 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2486 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2487 be wobbly. Hence the isRigidInst
2488
2489 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2490 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2491 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2492 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2493
2494 \begin{code}
2495 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2496 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2497                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2498
2499 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2500 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2501   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2502   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2503   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2504                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2505                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2506   where
2507     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2508                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2509     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2510     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2511
2512     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2513     -- Find all the Insts that this one depends on
2514     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2515     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2516     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2517     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2518     findAllDeps so_far other        = so_far
2519
2520     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2521     find_all so_far kid
2522       | isEqInst kid                       = so_far
2523       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2524       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2525       | otherwise                          = so_far'
2526       where
2527         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2528         kid_id = instToId kid
2529
2530 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2531         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2532         -- The first param says "don't do this because the original thing
2533         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2534         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2535
2536 addSCs is_loop avails dict
2537   = ASSERT( isDict dict )
2538     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2539         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2540   where
2541     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2542     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2543     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2544                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2545
2546     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2547       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2548       | is_given sc_dict           = return avails
2549       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2550                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2551       where
2552         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2553         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2554
2555     is_given :: Inst -> Bool
2556     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2557                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2558                           other          -> False       
2559
2560 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2561 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2562 --
2563 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2564 ancestorEqualities
2565   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2566     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2567     . bagToList 
2568     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2569     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2570     . filter isClassDict
2571   where
2572     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2573     addAEsToBag bag []           = bag
2574     addAEsToBag bag (pred:preds)
2575       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2576       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2577       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2578       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2579       where
2580         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2581         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2582         --
2583         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2584         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2585 \end{code}
2586
2587
2588 %************************************************************************
2589 %*                                                                      *
2590 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2591 %*                                                                      *
2592 %************************************************************************
2593
2594
2595 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2596 and ambiguous Insts.
2597
2598 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2599
2600         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2601
2602 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2603 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2604
2605 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2606
2607
2608 \begin{code}
2609 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2610 tcSimplifyTop wanteds
2611   = tc_simplify_top doc False wanteds
2612   where 
2613     doc = text "tcSimplifyTop"
2614
2615 tcSimplifyInteractive wanteds
2616   = tc_simplify_top doc True wanteds
2617   where 
2618     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2619
2620 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2621 -- error message generation for the monomorphism restriction
2622 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2623   = do  { dflags <- getDOpts
2624         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2625         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2626
2627         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2628         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2629 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2630         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2631         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2632         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2633
2634                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2635                 -- NB: irreds2 are already zonked
2636         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2637
2638                 -- Deal with implicit parameters
2639         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2640               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2641
2642         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2643                                 --                  f x = x + ?y
2644         ; addNoInstanceErrs others
2645         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2646
2647         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2648   where
2649     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2650     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2651     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2652 \end{code}
2653
2654 If a dictionary constrains a type variable which is
2655         * not mentioned in the environment
2656         * and not mentioned in the type of the expression
2657 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2658 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2659 parameter to a function.
2660
2661 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2662 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2663 Specifically, if
2664         * at least one of its classes is a numeric class, and
2665         * all of its classes are numeric or standard
2666 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2667 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2668
2669 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2670 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2671 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2672 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2673
2674 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2675 the same type variable.
2676
2677 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2678 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2679 the most common use of defaulting is code like:
2680 \begin{verbatim}
2681         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2682 \end{verbatim}
2683 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2684 @void@.
2685
2686 \begin{code}
2687 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2688         -- Just does unification to fix the default types
2689         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2690 disambiguate doc interactive dflags insts
2691   | null insts
2692   = return (insts, emptyBag)
2693
2694   | null defaultable_groups
2695   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2696         ; return (insts, emptyBag) }
2697
2698   | otherwise
2699   = do  {       -- Figure out what default types to use
2700           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2701
2702         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2703         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2704
2705         -- disambigGroup does unification, hence try again
2706         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2707
2708   where
2709    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2710    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2711
2712    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2713    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2714    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2715    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2716
2717         -- Finds unary type-class constraints
2718    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2719         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2720    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2721
2722                 -- Group by type variable
2723    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2724    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2725    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2726
2727    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2728    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2729         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2730         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2731         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2732    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2733
2734    defaultable_classes clss 
2735         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2736         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2737
2738         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2739         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2740    isInteractiveClass cls 
2741         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2742
2743    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2744         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2745         -- when -foverloaded-strings is enabled
2746
2747    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2748         -- Similarly is_std_class
2749
2750 -----------------------
2751 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2752               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2753               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2754
2755 disambigGroup default_tys dicts
2756   = try_default default_tys
2757   where
2758     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2759     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2760
2761     try_default [] = return ()
2762     try_default (default_ty : default_tys)
2763       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2764         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2765                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2766                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2767                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2768                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2769                 -- default list is Int.
2770
2771                 -- After this we can't fail
2772            ; warnDefault dicts default_ty
2773            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2774            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2775            }
2776
2777
2778 -----------------------
2779 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2780 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2781   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2782         ; case mb_defaults of {
2783            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2784            Nothing  -> do
2785
2786         -- No use-supplied default
2787         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2788         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2789         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2790         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2791         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2792                         -- Note [Default unitTy]
2793                         ++
2794                   [integer_ty,doubleTy]
2795                         ++
2796                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2797   where
2798     opt_deflt True  ty = [ty]
2799     opt_deflt False ty = []
2800 \end{code}
2801
2802 Note [Default unitTy]
2803 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2804 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2805 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2806 Consider: 
2807         Text.Printf.printf "hello"
2808 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2809 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2810 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2811 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2812 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2813
2814 Note [Avoiding spurious errors]
2815 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2816 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2817 type variables, and simply don't default them.  For example:
2818    f = (*)      -- Monomorphic
2819    g :: Num a => a -> a
2820    g x = f x x
2821 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2822 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2823 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2824 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2825 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2826
2827
2828 %************************************************************************
2829 %*                                                                      *
2830 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2831 %*                                                                      *
2832 %************************************************************************
2833
2834 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2835
2836 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2837 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2838 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2839
2840 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2841 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2842 instance declarations.
2843
2844 \begin{code}
2845 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2846                 -> [TyVar]      
2847                 -> ThetaType            -- Wanted
2848                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2849 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2850 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2851
2852 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2853   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2854         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2855         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2856         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2857         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2858         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2859
2860         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2861         ; addNoInstanceErrs others
2862         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2863
2864         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2865               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2866                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2867                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2868
2869         ; return simpl_theta }
2870   where
2871     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2872
2873     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2874             | otherwise   = False
2875 \end{code}
2876
2877
2878 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2879 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2880 whether it worked or not.
2881
2882 \begin{code}
2883 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2884                   -> TcM ()
2885
2886 tcSimplifyDefault theta
2887   = newDictBndrsO DefaultOrigin theta   `thenM` \ wanteds ->
2888     tryHardCheckLoop doc wanteds        `thenM` \ (irreds, _) ->
2889     addNoInstanceErrs  irreds           `thenM_`
2890     if null irreds then
2891         returnM ()
2892     else
2893         failM
2894   where
2895     doc = ptext SLIT("default declaration")
2896 \end{code}
2897
2898
2899 %************************************************************************
2900 %*                                                                      *
2901 \section{Errors and contexts}
2902 %*                                                                      *
2903 %************************************************************************
2904
2905 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2906 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2907 now?
2908
2909 \begin{code}
2910 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2911           -> [Inst]             -- The offending Insts
2912           -> TcM ()
2913 -- Group together insts with the same origin
2914 -- We want to report them together in error messages
2915
2916 groupErrs report_err [] 
2917   = returnM ()
2918 groupErrs report_err (inst:insts) 
2919   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2920     groupErrs report_err others
2921
2922   where
2923         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2924         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2925         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2926    (friends, others) = partition is_friend insts
2927    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2928    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2929    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2930                 -- Add location and context information derived from the Insts
2931
2932 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2933 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2934 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2935
2936 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2937 addTopIPErrs bndrs [] 
2938   = return ()
2939 addTopIPErrs bndrs ips
2940   = do  { dflags <- getDOpts
2941         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2942   where
2943     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2944     mk_msg dflags ips 
2945         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2946                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2947                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2948                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2949                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2950                 monomorphism_fix dflags]
2951     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2952
2953 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2954 topIPErrs dicts
2955   = groupErrs report tidy_dicts
2956   where
2957     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2958     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2959     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2960                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2961
2962 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2963                   -> TcM ()     
2964 addNoInstanceErrs insts
2965   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
2966         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
2967
2968 reportNoInstances 
2969         :: TidyEnv
2970         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
2971                         -- Nothing => top level
2972                         -- Just (d,g) => d describes the construct
2973                         --               with givens g
2974         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
2975         -> TcM ()       
2976
2977 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
2978   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
2979
2980 report_no_instances tidy_env mb_what insts
2981   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
2982        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
2983              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
2984              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
2985        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
2986                        [ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
2987        ; mapM_ complain_implic implics
2988        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
2989        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
2990        ; mapM_ eqInstMisMatch eqInsts
2991        }
2992   where
2993     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
2994
2995     complain_implic inst        -- Recurse!
2996       = reportNoInstances tidy_env 
2997                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
2998                           (tci_wanted inst)
2999
3000     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3001         -- Right msg  => overlap message
3002         -- Left  inst => no instance
3003     check_overlap inst_envs wanted
3004         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3005         | otherwise
3006         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3007                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3008                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3009                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3010 #ifdef DEBUG
3011                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3012 #endif
3013                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
3014                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3015           where
3016             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3017
3018     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3019       = ASSERT( not (null matches) )
3020         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
3021                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3022                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
3023                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3024                 if not (isSingleton matches)
3025                 then    -- Two or more matches
3026                      empty
3027                 else    -- One match, plus some unifiers
3028                 ASSERT( not (null unifiers) )
3029                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
3030                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3031                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
3032                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
3033       where
3034         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3035
3036     mk_no_inst_err insts
3037       | null insts = empty
3038
3039       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3040         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3041       = vcat [ addInstLoc insts $
3042                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3043                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3044              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3045
3046       | otherwise       -- Top level 
3047       = vcat [ addInstLoc insts $
3048                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
3049                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
3050              , show_fixes fixes2 ]
3051
3052       where
3053         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
3054                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
3055                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3056                          -- I'm not sure it helps to add the location
3057                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3058
3059         fixes2 | null instance_dicts = []
3060                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
3061                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3062         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3063                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3064                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3065
3066         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3067         show_fixes []     = empty
3068         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
3069                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
3070
3071 addTopAmbigErrs dicts
3072 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3073   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3074                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3075     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3076   where
3077     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3078
3079     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3080     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3081     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3082     
3083     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3084     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3085         = mkMonomorphismMsg tidy_env tvs        `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
3086           setSrcSpan (instSpan inst) $
3087                 -- the location of the first one will do for the err message
3088           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3089         where
3090           dicts = map fst pairs
3091           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3092                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3093                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3094           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3095     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3096
3097
3098 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3099 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3100 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3101 -- Try to identify the offending variable
3102 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3103 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3104   = do  { dflags <- getDOpts
3105         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3106         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3107   where
3108     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3109         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3110                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3111                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3112     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3113                         -- This happens in things like
3114                         --      f x = show (read "foo")
3115                         -- where monomorphism doesn't play any role
3116     mk_msg dflags docs 
3117         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3118                 nest 2 (vcat docs),
3119                 monomorphism_fix dflags]
3120
3121 isRuntimeUnk :: TcTyVar -> Bool
3122 isRuntimeUnk x | SkolemTv RuntimeUnkSkol <- tcTyVarDetails x = True
3123                | otherwise = False
3124
3125 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3126 monomorphism_fix dflags
3127   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3128         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3129          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3130            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3131            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3132                         -- if it is not already set!
3133     
3134 warnDefault ups default_ty
3135   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
3136     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3137   where
3138     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3139
3140         -- Tidy them first
3141     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3142     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3143                                 quotes (ppr default_ty),
3144                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3145
3146 reduceDepthErr n stack
3147   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3148           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3149           nest 4 (pprStack stack)]
3150
3151 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3152 \end{code}