Remove GADT refinements, part 1
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 {-# OPTIONS -w #-}
10 -- The above warning supression flag is a temporary kludge.
11 -- While working on this module you are encouraged to remove it and fix
12 -- any warnings in the module. See
13 --     http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/Commentary/CodingStyle#Warnings
14 -- for details
15
16 module TcSimplify (
17         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
18         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
19         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
20         tcSimplifySuperClasses,
21         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
22         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
23
24         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
25         bindInstsOfLocalFuns, 
26
27         misMatchMsg
28     ) where
29
30 #include "HsVersions.h"
31
32 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
33 import HsSyn
34
35 import TcRnMonad
36 import Inst
37 import TcEnv
38 import InstEnv
39 import TcGadt
40 import TcType
41 import TcMType
42 import TcIface
43 import TcTyFuns
44 import TypeRep
45 import Var
46 import Name
47 import NameSet
48 import Class
49 import FunDeps
50 import PrelInfo
51 import PrelNames
52 import Type
53 import TysWiredIn
54 import ErrUtils
55 import BasicTypes
56 import VarSet
57 import VarEnv
58 import Module
59 import FiniteMap
60 import Bag
61 import Outputable
62 import Maybes
63 import ListSetOps
64 import Util
65 import UniqSet
66 import SrcLoc
67 import DynFlags
68
69 import Data.List
70 \end{code}
71
72
73 %************************************************************************
74 %*                                                                      *
75 \subsection{NOTES}
76 %*                                                                      *
77 %************************************************************************
78
79         --------------------------------------
80         Notes on functional dependencies (a bug)
81         --------------------------------------
82
83 Consider this:
84
85         class C a b | a -> b
86         class D a b | a -> b
87
88         instance D a b => C a b -- Undecidable 
89                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
90         f :: C a b => a -> Bool
91         f _ = True
92         
93         g :: C a b => a -> Bool
94         g = f
95
96 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
97 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
98
99 Here is a more complicated example:
100
101 | > class Foo a b | a->b
102 | >
103 | > class Bar a b | a->b
104 | >
105 | > data Obj = Obj
106 | >
107 | > instance Bar Obj Obj
108 | >
109 | > instance (Bar a b) => Foo a b
110 | >
111 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
112 | > foo _ = "works"
113 | >
114 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
115 | > runFoo f = f Obj
116
117 | *Test> runFoo foo
118
119 | <interactive>:1:
120 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
121 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
122 |     Probable fix:
123 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
124 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
125 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
126
127 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
128 | function foo didn't ask for that... 
129
130 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
131
132         Given constraint        Foo a b
133         Solve constraint        Foo a b'
134
135 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
136 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
137         simplify constraints
138         apply improvement
139         and loop
140
141 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
142 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
143 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
144 from.
145
146 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
147 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
148
149 Note [Choosing which variables to quantify]
150 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
151 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
152
153         G       the environment
154         T       the type of the RHS
155         C       the constraints from that RHS
156
157 The game is to figure out
158
159         Q       the set of type variables over which to quantify
160         Ct      the constraints we will *not* quantify over
161         Cq      the constraints we will quantify over
162
163 So we're going to infer the type
164
165         forall Q. Cq => T
166
167 and float the constraints Ct further outwards.
168
169 Here are the things that *must* be true:
170
171  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
172  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
173
174  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
175  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
176      we won't get a sufficiently general type.  
177
178 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
179 free vars of the environment G.
180
181         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
182
183 Example:        class H x y | x->y where ...
184
185         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
186                         T = c -> b
187
188         (A)  Q intersect {a} is empty
189         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
190
191         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
192
193 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
194 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
195 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
196 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
197
198 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
199 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
200 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
201 choose Q:
202
203         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
204
205 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
206 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
207 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
208 albeit perhaps too many.
209
210 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
211
212         class H x y | x->y where ...
213
214         T = c->c
215         C = (H c d)
216
217   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
218
219         forall c. H c d => c -> b
220
221   And then if the fn was called at several different c's, each of
222   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
223   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
224   everything that might be influenced by c.
225
226 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
227 all the functional dependencies yet:
228
229         class H x y | x->y where ...
230         instance H x y => Eq (T x y) where ...
231
232         T = c->c
233         C = (Eq (T c d))
234
235 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
236 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
237
238 There really isn't any point in quantifying over any more than
239 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
240 any other type variables.
241
242
243
244 -------------------------------------
245         Note [Ambiguity]
246 -------------------------------------
247
248 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
249
250         class K x
251         class H x y | x -> y
252         instance H x y => K (x,y)
253
254 Is this type ambiguous?
255         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
256
257 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
258 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
259 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
260 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
261
262 Here's another example: is this ambiguous?
263         forall a b. Eq (T b) => a -> a
264 Not if there's an insance decl (with no context)
265         instance Eq (T b) where ...
266
267 You may say of this example that we should use the instance decl right
268 away, but you can't always do that:
269
270         class J a b where ...
271         instance J Int b where ...
272
273         f :: forall a b. J a b => a -> a
274
275 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
276 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
277 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
278 when inferring a type for f.
279
280
281
282 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
283 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
284 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
285
286 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
287
288         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
289
290 (all tested before quantification).
291 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
292 in the environment, or by the variables in the type.
293
294 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
295
296         class J a b c | a b -> c
297         fv(G) = {a}
298
299 Is this ambiguous?
300         forall b c. (J a b c) => b -> b
301
302 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
303 do we see that c is fixed.
304
305 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
306 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
307 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
308 only issue a warning.
309
310
311 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
312
313         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
314
315 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
316 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
317 the nasty example?
318
319         class K x
320         class H x y | x -> y
321         instance H x y => K (x,y)
322
323 Is this type ambiguous?
324         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
325
326 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
327 is a "bubble" that's a set of constraints
328
329         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
330
331 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
332 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
333 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
334 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
335 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
336
337
338         --------------------------------------
339                 Notes on principal types
340         --------------------------------------
341
342     class C a where
343       op :: a -> a
344
345     f x = let g y = op (y::Int) in True
346
347 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
348 but we'll produce the non-principal type
349     f :: forall a. C Int => a -> a
350
351
352         --------------------------------------
353         The need for forall's in constraints
354         --------------------------------------
355
356 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
357
358   class C t where op :: t -> Bool
359   instance C [t] where op x = True
360
361   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
362   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
363
364 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
365 the pair on their right-hand sides.  And yet:
366
367   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
368   Hugs rejects q, but accepts p;
369   hbc rejects both p and q;
370   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
371
372 The type signature for f forces context reduction to take place, and
373 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
374 which in turn depends on which component of the pair the type checker
375 analyzes first.  
376
377 Solution: if y::m a, float out the constraints
378         Monad m, forall c. C (m c)
379 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
380
381
382         --------------------------------------
383                 Notes on implicit parameters
384         --------------------------------------
385
386 Note [Inheriting implicit parameters]
387 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
388 Consider this:
389
390         f x = (x::Int) + ?y
391
392 where f is *not* a top-level binding.
393 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
394 There are two types we might infer for f:
395
396         f :: Int -> Int
397
398 (so we get ?y from the context of f's definition), or
399
400         f :: (?y::Int) => Int -> Int
401
402 At first you might think the first was better, becuase then
403 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
404 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
405 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
406 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
407
408 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
409 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
410
411
412 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
413 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
414 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
415 An *implicit parameter* cannot.  For example:
416         foo :: (?x :: [a]) => Int
417         foo = length ?x
418 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
419
420 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
421 propagate to the others.  E.g.
422         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
423         foo = show (?x++?x)
424 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
425 we might have
426         let ?x = 5::Int in foo
427 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
428 so we can take their type variables into account as part of the
429 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
430
431
432 Question 2: type signatures
433 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
434 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
435 to quantify over implicit parameters.  For example:
436
437         (?x + 1) :: Int
438
439 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
440
441         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
442
443 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
444 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
445 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
446 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
447
448 What about when you supply a type signature for a binding?
449 Is it legal to give the following explicit, user type 
450 signature to f, thus:
451
452         f :: Int -> Int
453         f x = (x::Int) + ?y
454
455 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
456 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
457 Consider this:
458
459         (let f x = (x::Int) + ?y
460          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
461
462                 returns (3+6, 3+5)
463 vs
464         (let f :: Int -> Int
465              f x = x + ?y
466          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
467
468                 returns (3+6, 3+6)
469
470 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
471 dynamic semantics.
472
473 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
474 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
475 change the typing you may change the semantics.
476
477 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
478 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
479 rule: 
480
481         a signature does not need to quantify over implicit params.
482
483 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
484 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
485 params for the reasons mentioned above.]
486
487 But that raises a new question.  Consider 
488
489         Given (signature)       ?x::Int
490         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
491
492 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
493 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
494 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
495 to float a constraint that
496         neither mentions any of the quantified type variables
497         nor any of the quantified implicit parameters
498
499 See the predicate isFreeWhenChecking.
500
501
502 Question 3: monomorphism
503 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
504 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
505
506         z = (x::Int) + ?y
507
508 The argument above suggests that we *must* generalise
509 over the ?y parameter, to get
510         z :: (?y::Int) => Int,
511 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
512         z :: Int.
513 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
514
515         let z = x + ?y in z+z
516
517 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
518 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
519
520
521 Question 4: top level
522 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
523 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
524
525     module Main where
526         main = let ?x = 5 in print foo
527
528         foo = woggle 3
529
530         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
531         woggle y = ?x + y
532
533 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
534 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
535
536
537 Possible choices
538 ~~~~~~~~~~~~~~~~
539 (A) Always generalise over implicit parameters
540     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
541         be generalised
542
543     Consequences:
544         * Inlining remains valid
545         * No unexpected loss of sharing
546         * But simple bindings like
547                 z = ?y + 1
548           will be rejected, unless you add an explicit type signature
549           (to avoid the monomorphism restriction)
550                 z :: (?y::Int) => Int
551                 z = ?y + 1
552           This seems unacceptable
553
554 (B) Monomorphism restriction "wins"
555     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
556         be generalised
557     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
558         that fall under the monomorphism restriction
559
560     Consequences
561         * Inlining isn't valid in general
562         * No unexpected loss of sharing
563         * Simple bindings like
564                 z = ?y + 1
565           accepted (get value of ?y from binding site)
566
567 (C) Always generalise over implicit parameters
568     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
569         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
570     Consequences
571         * Inlining remains valid
572         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
573         * Simple bindings like
574                 z = ?y + 1
575           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
576
577
578 Discussion
579 ~~~~~~~~~~
580 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
581 decide which we want to do.
582
583 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
584
585         z = (x::Int) + ?y
586
587 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
588 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
589 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
590 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
591 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
592 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
593
594 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
595 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
596 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
597 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
598 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
599 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
600 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
601 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
602 restriction altogether.
603
604 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
605
606
607
608 %************************************************************************
609 %*                                                                      *
610 \subsection{tcSimplifyInfer}
611 %*                                                                      *
612 %************************************************************************
613
614 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
615
616     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
617
618     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
619        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
620
621     3. Try improvement, using functional dependencies
622
623     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
624        (Unification can change the result of 'grow'.)
625
626 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
627 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
628 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
629 type variables than we absolutely have to.
630
631 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
632 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
633
634         class C x y | x->y where ...
635
636 and tcSimplify is called with:
637         (C Int a, C Int b)
638 Then improvement unifies a with b, giving
639         (C Int a, C Int a)
640
641 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
642 again.
643
644
645 \begin{code}
646 tcSimplifyInfer
647         :: SDoc
648         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
649         -> [Inst]               -- Wanted
650         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
651                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
652                 TcDictBinds)    -- Bindings
653         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
654 \end{code}
655
656
657 \begin{code}
658 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
659   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
660         ; wanted'  <- mapM 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 <- mapM 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]
925                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
926                    -> [Inst]            -- Given
927                    -> [Inst]            -- Wanted
928                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
929 tcSimplifyCheckPat loc co_vars 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 emptyRefinement 
934                                     givens irreds
935         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
936
937 -----------------------------------------------------------
938 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
939            -> [Inst] -> [Inst]
940            -> TcM TcDictBinds
941 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
942   = bindIrredsR loc qtvs [] emptyRefinement givens irreds
943
944 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
945             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
946             -> TcM TcDictBinds  
947 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
948 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
949 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
950   | null irreds
951   = return emptyBag
952   | otherwise
953   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
954                 -- The givens can (redundantly) include methods
955                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
956                 -- There should be no implicadtion constraints
957                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
958
959            -- If there are no 'givens' *and* the refinement is empty
960            -- (the refinement is like more givens), then it's safe to 
961            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
962            -- See Note [Freeness and implications]
963         ; irreds' <- if null givens' && isEmptyRefinement reft
964                      then do
965                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
966                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
967                         ; extendLIEs frees
968                         ; return real_irreds }
969                      else return irreds
970         
971         ; let all_tvs = qtvs ++ co_vars -- Abstract over all these
972         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc all_tvs reft givens' irreds'
973                         -- This call does the real work
974                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
975         ; extendLIEs implics
976         ; return bind } 
977
978
979 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar] -> Refinement
980                     -> [Inst] -> [Inst]
981                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
982 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
983 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
984 -- The binding looks like
985 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
986 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
987 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
988 -- qtvs includes coercion variables
989 --
990 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
991 makeImplicationBind loc all_tvs reft
992                     givens      -- Guaranteed all Dicts
993                                 -- or EqInsts
994                     irreds
995  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
996  = return ([], emptyBag)
997  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
998  = do   { uniq <- newUnique 
999         ; span <- getSrcSpanM
1000         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
1001               eq_tyvar_cos = mkTyVarTys (varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType eq_givens)
1002                 -- Urgh! See line 2187 or thereabouts.  I believe that all these
1003                 -- 'givens' must be a simple CoVar.  This MUST be cleaned up.
1004
1005         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
1006               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name, tci_reft = reft,
1007                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1008                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1009                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
1010         ; let   -- only create binder for dict_irreds
1011               (eq_irreds, dict_irreds) = partition isEqInst irreds
1012               n_dict_irreds = length dict_irreds
1013               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1014               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_dict_irreds (map idType dict_irred_ids)
1015               pat = TuplePat (map nlVarPat dict_irred_ids) Boxed tup_ty
1016               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1017               co  = mkWpApps (map instToId dict_givens)
1018                     <.> mkWpTyApps eq_tyvar_cos
1019                     <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1020               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  = VarBind dict_irred_id rhs
1021                    | otherwise        = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
1022                                                   pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
1023                                                   pat_rhs_ty = tup_ty,
1024                                                   bind_fvs = placeHolderNames }
1025         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1026         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1027         }
1028
1029 -----------------------------------------------------------
1030 tryHardCheckLoop :: SDoc
1031              -> [Inst]                  -- Wanted
1032              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1033
1034 tryHardCheckLoop doc wanteds
1035   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
1036        ; return (irreds,binds)
1037        }
1038   where
1039     try_me inst = ReduceMe AddSCs
1040         -- Here's the try-hard bit
1041
1042 -----------------------------------------------------------
1043 gentleCheckLoop :: InstLoc
1044                -> [Inst]                -- Given
1045                -> [Inst]                -- Wanted
1046                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1047
1048 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1049   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1050        ; return (irreds,binds)
1051        }
1052   where
1053     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1054
1055     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1056                 | otherwise          = Stop
1057         -- When checking against a given signature 
1058         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1059
1060 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1061                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1062 gentleInferLoop doc wanteds
1063   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1064         ; return (irreds, binds) }
1065   where
1066     env = mkRedEnv doc try_me []
1067     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
1068                 | otherwise          = Stop
1069 \end{code}
1070
1071 Note [Check gently]
1072 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1073 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1074 Example:  
1075   data T a where
1076     MkT :: a -> T [a]
1077
1078   f :: Show b => T b -> b
1079   f (MkT x) = show [x]
1080
1081 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1082         b ~ [a]
1083 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1084 need it.  We are going to build an implication contraint
1085         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1086 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1087         
1088 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1089 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1090 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1091 work until top level, when we solve the implication constraint
1092 with tryHardCheckLooop.
1093
1094
1095 \begin{code}
1096 -----------------------------------------------------------
1097 checkLoop :: RedEnv
1098           -> [Inst]                     -- Wanted
1099           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1100 -- Precondition: givens are completely rigid
1101 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1102
1103 checkLoop env wanteds
1104   = go env wanteds (return ())
1105   where go env wanteds elim_skolems
1106           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1107                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1108                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1109         
1110                 ; (improved, binds, irreds, elim_more_skolems)
1111                     <- reduceContext env' wanteds'
1112                 ; let elim_skolems' = elim_skolems >> elim_more_skolems
1113
1114                 ; if not improved then
1115                     elim_skolems' >> return (irreds, binds)
1116                   else do
1117         
1118                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1119                 -- We start again with irreds, not wanteds
1120                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1121                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1122                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1123                 -- See Note [LOOP]
1124                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds elim_skolems'
1125                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1126 \end{code}
1127
1128 Note [Zonking RedEnv]
1129 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1130 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1131 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1132 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1133 testsuite is
1134
1135   class Modular s a | s -> a
1136
1137   wim ::  forall a w. Integral a 
1138                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1139   wim i k = error "urk"
1140
1141   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1142   test5  =   error "urk"
1143
1144   test4   =   wim 4 test4'
1145
1146 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1147 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1148 whether the signature of test5 is an instance of 
1149
1150   (forall s. Modular s a => M s w)
1151
1152 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1153 givens. 
1154
1155 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1156 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1157 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1158 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1159 TcGadt.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1160
1161
1162 Note [LOOP]
1163 ~~~~~~~~~~~
1164         class If b t e r | b t e -> r
1165         instance If T t e t
1166         instance If F t e e
1167         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1168         instance Lte Z b T
1169         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1170
1171 Wanted: Max Z (S x) y
1172
1173 Then we'll reduce using the Max instance to:
1174         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1175 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1176 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1177 with (Max Z (S x) y)!
1178
1179
1180
1181 %************************************************************************
1182 %*                                                                      *
1183                 tcSimplifySuperClasses
1184 %*                                                                      *
1185 %************************************************************************
1186
1187 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1188 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1189 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1190 accidentally build a loop. Here's an example:
1191
1192   class S a
1193
1194   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1195   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1196   
1197   instance C Int where
1198      opc = opd
1199   
1200   instance D Int where
1201      opd = opc
1202
1203 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1204 Simplifying, we may well get:
1205         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1206         dd  = $dfDInt
1207         ds1 = $p1 dd
1208 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1209
1210 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1211
1212         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1213         dc  = $dfCInt
1214         ds2 = $p1 dc
1215
1216 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1217
1218 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1219 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1220
1221 Two more nasty cases are in
1222         tcrun021
1223         tcrun033
1224
1225 \begin{code}
1226 tcSimplifySuperClasses 
1227         :: InstLoc 
1228         -> [Inst]       -- Given 
1229         -> [Inst]       -- Wanted
1230         -> TcM TcDictBinds
1231 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1232   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1233         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1234         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1235         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1236         ; return binds1 }
1237   where
1238     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1239     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1240         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1241 \end{code}
1242
1243
1244 %************************************************************************
1245 %*                                                                      *
1246 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1247 %*                                                                      *
1248 %************************************************************************
1249
1250 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1251 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1252
1253 Eg1:    id = \x -> x
1254         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1255         
1256 Eg2:    eq = (==)
1257         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1258         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1259
1260 So, assume:
1261         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1262         RHS has constraints 'wanteds'
1263
1264 Plan A (simple)
1265   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1266   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1267   where we have         instance Monad (ST s) where...
1268   so there's no need to be monomorphic in s!
1269
1270   Also the constraint might be a method constraint,
1271   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1272           op :: Num a => a -> b -> a
1273   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1274         foo = op (3::Int)
1275   We want to infer the polymorphic type
1276         foo :: forall b. b -> b
1277
1278
1279 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1280   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1281   with Plan A's problem).  Then set
1282         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1283
1284   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1285   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1286   The reasons for this is to maximise sharing.
1287
1288   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1289   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1290   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1291   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1292   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1293   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1294   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1295
1296   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1297   the problem.
1298
1299
1300 Plan C (brutal)
1301   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1302   with Plan A's problem).  Then set
1303         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1304   Return the bindings from Step 1.
1305   
1306
1307 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1308 Consider this:
1309
1310       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1311
1312       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1313
1314       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1315       doDecodeIO codedValue view  
1316         = let { act = foo "foo" } in  act
1317
1318 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1319 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1320 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1321 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1322
1323 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1324 plan D
1325
1326
1327 Plan D (a variant of plan B)
1328   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1329   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1330         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1331
1332   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1333   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1334
1335   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1336   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1337   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1338   can always add a signature.  
1339
1340   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1341   improvement.
1342
1343
1344 \begin{code}
1345 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1346                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1347         :: SDoc
1348         -> TopLevelFlag
1349         -> [Name]               -- Things bound in this group
1350         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1351         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1352         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1353                 TcDictBinds)    -- Bindings
1354         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1355         -- quantify over; by definition there are none.
1356         -- They are all thrown back in the LIE
1357
1358 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1359         -- Zonk everything in sight
1360   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1361         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1362
1363         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1364         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1365         -- variables as possible, and we don't want to stop
1366         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1367         -- immediately, with no constraint on s.
1368         --
1369         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1370         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1371         --          a method Inst with an equality constraint
1372         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1373         ; (_imp, _binds, constrained_dicts, elim_skolems) 
1374             <- reduceContext env wanteds'
1375         ; elim_skolems
1376
1377         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1378         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1379         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1380         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1381
1382         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1383                                 -- As in tcSimplifyInfer
1384
1385                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1386                 -- this is the monomorphism restriction
1387               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1388               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1389               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1390
1391         -- Warn in the mono
1392         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1393         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1394                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1395                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1396                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1397
1398         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1399                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1400                 ppr _binds,
1401                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1402
1403         -- The first step may have squashed more methods than
1404         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1405         -- set of type variables to quantify over.
1406         --
1407         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1408         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1409         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1410         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1411         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1412         --
1413         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1414         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1415         -- just to float all constraints
1416         --
1417         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1418         -- expose implicit parameters to the test that follows
1419         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1420               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1421                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1422                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1423               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1424         ; (_imp, binds, irreds, elim_skolems) <- reduceContext env wanteds'
1425         ; elim_skolems
1426
1427         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1428         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1429           if is_nested_group then
1430                 extendLIEs irreds
1431           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1432                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1433                   ; extendLIEs non_ips }
1434
1435         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1436         ; return (qtvs', binds) }
1437 \end{code}
1438
1439
1440 %************************************************************************
1441 %*                                                                      *
1442                 tcSimplifyRuleLhs
1443 %*                                                                      *
1444 %************************************************************************
1445
1446 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1447 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1448 as the available stuff for the RHS of the rule.
1449
1450 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1451         
1452         f (x == y) (y > z) = ...
1453
1454 If we typecheck this expression we get constraints
1455
1456         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1457
1458 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1459
1460         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1461           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1462
1463 Instead we want 
1464
1465         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1466           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1467
1468 Here is another example:
1469
1470         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1471         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1472
1473 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1474 we *dont* want to get
1475
1476         forall dIntegralInt.
1477            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1478
1479 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1480
1481         forall dIntegralInt, dNumInt.
1482           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1483
1484 Even if we have 
1485
1486         g (x == y) (y == z) = ..
1487
1488 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1489
1490         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1491           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1492
1493 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1494 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1495
1496 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1497 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1498 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1499
1500 \begin{code}
1501 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1502 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1503   = go [] emptyBag wanteds
1504   where
1505     go dicts binds []
1506         = return (dicts, binds)
1507     go dicts binds (w:ws)
1508         | isDict w
1509         = go (w:dicts) binds ws
1510         | otherwise
1511         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1512                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1513              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1514              ; case lookup_result of
1515                  GenInst ws' rhs -> 
1516                    go dicts (addInstToDictBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1517                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1518           }
1519 \end{code}
1520
1521 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1522 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1523 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1524 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1525 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1526 this bracket again at its usage site.
1527
1528 \begin{code}
1529 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1530 tcSimplifyBracket wanteds
1531   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1532         ; return () }
1533   where
1534     doc = text "tcSimplifyBracket"
1535 \end{code}
1536
1537
1538 %************************************************************************
1539 %*                                                                      *
1540 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1541 %*                                                                      *
1542 %************************************************************************
1543
1544 When we have
1545         let ?x = R in B
1546
1547 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1548 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1549
1550 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1551
1552         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1553         let ?x = 3 in f 'c'
1554
1555 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1556 force the binding for ?x to be of type Int.
1557
1558 \begin{code}
1559 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1560               -> [Inst]         -- Wanted
1561               -> TcM TcDictBinds
1562         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1563         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1564         --      let ?x = e in ?x
1565         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1566         -- makes them the same.
1567
1568 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1569   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1570         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1571                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1572
1573         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1574         ; (improved, binds, irreds, elim_skolems) <- reduceContext env wanteds'
1575         ; elim_skolems
1576
1577         ; if not improved then 
1578                 ASSERT( all is_free irreds )
1579                 do { extendLIEs irreds
1580                    ; return binds }
1581           else
1582                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1583   where
1584     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1585     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1586     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1587
1588         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1589     try_me inst | is_free inst = Stop
1590                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1591 \end{code}
1592
1593
1594 %************************************************************************
1595 %*                                                                      *
1596 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1597 %*                                                                      *
1598 %************************************************************************
1599
1600 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1601 For example, we might have...
1602 \begin{verbatim}
1603 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1604     f.1 = f Int     -- two instances of f
1605     f.2 = f Float
1606  in
1607     (f.1 5, f.2 6.7)
1608 \end{verbatim}
1609 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1610 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1611 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1612 there, they would have unresolvable references to @f@.
1613
1614 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1615 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1616 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1617 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1618
1619 \begin{code}
1620 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1621 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1622 --      fm = f tys dicts
1623 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1624 --      d1 = d2
1625 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1626 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1627
1628 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1629   | null overloaded_ids = do
1630         -- Common case
1631     extendLIEs wanteds
1632     return emptyLHsBinds
1633
1634   | otherwise
1635   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1636         ; extendLIEs not_for_me 
1637         ; extendLIEs irreds
1638         ; return binds }
1639   where
1640     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1641     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1642     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1643     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1644
1645     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1646                                                 -- so it's worth building a set, so that
1647                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1648 \end{code}
1649
1650
1651 %************************************************************************
1652 %*                                                                      *
1653 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1654 %*                                                                      *
1655 %************************************************************************
1656
1657 The main control over context reduction is here
1658
1659 \begin{code}
1660 data RedEnv 
1661   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1662            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1663            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1664            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1665                                                 -- Always dicts
1666                                                 -- but see Note [Rigidity]
1667            , red_reft :: Refinement             -- The refinement to apply to the 'givens'
1668                                                 -- You should think of it as 'given equalities'
1669            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1670                                                 -- See Note [RedStack]
1671   }
1672
1673 -- Note [Rigidity]
1674 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1675 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1676 --      let ?x = e in ...
1677 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1678 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1679
1680 -- Note [RedStack]
1681 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1682 -- 'n' is always the depth of the stack.
1683 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1684 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1685
1686
1687 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1688 mkRedEnv doc try_me givens
1689   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1690              red_givens = givens, 
1691              red_reft = emptyRefinement,
1692              red_stack = (0,[]),
1693              red_improve = True }       
1694
1695 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1696 -- Do not do improvement; no givens
1697 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1698   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1699              red_givens = [], red_reft = emptyRefinement,
1700              red_stack = (0,[]),
1701              red_improve = True }       
1702
1703 data WhatToDo
1704  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1705                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1706                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1707                         -- message of any kind.
1708                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1709
1710  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1711                         -- be reduced to a constant in one step
1712                         -- Do not add superclasses; see 
1713
1714 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1715                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1716         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1717         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1718
1719 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1720 zonkRedEnv env
1721   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1722        ; return $ env {red_givens = givens'}
1723        }
1724 \end{code}
1725
1726
1727 %************************************************************************
1728 %*                                                                      *
1729 \subsection[reduce]{@reduce@}
1730 %*                                                                      *
1731 %************************************************************************
1732
1733 Note [Ancestor Equalities]
1734 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1735 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1736 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1737 class constraints.  Consider the following code
1738
1739   class a ~ Int => C a
1740   instance C Int
1741
1742 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1743 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1744 discharge with the explicit instance.
1745
1746 \begin{code}
1747 reduceContext :: RedEnv
1748               -> [Inst]                 -- Wanted
1749               -> TcM (ImprovementDone,
1750                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1751                       [Inst],           -- Irreducible
1752                       TcM ())           -- Undo skolems from SkolemOccurs
1753
1754 reduceContext env wanteds
1755   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1756              text "----------------------",
1757              red_doc env,
1758              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1759              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1760              text "----------------------"
1761              ]))
1762
1763
1764         ; let givens                       = red_givens env
1765               (given_eqs0, given_dicts0)   = partition isEqInst givens
1766               (wanted_eqs0, wanted_non_eqs) = partition isEqInst wanteds
1767               (wanted_implics0, wanted_dicts0) = partition isImplicInst wanted_non_eqs
1768
1769           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1770           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1771           -- See Note [Ancestor Equalities]
1772         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanted_dicts0
1773         ; let wanted_eqs = wanted_eqs0 ++ ancestor_eqs
1774         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1775
1776           -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1777         ; (given_eqs, eliminate_skolems) <- normaliseGivenEqs given_eqs0
1778
1779           -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1780           --    wrt. the toplevel and given equations
1781         ; (given_dicts, given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs
1782                                                             given_dicts0
1783
1784           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1785           --    Add dicts refined by the current type refinement
1786         ; (init_state, extra_givens) <- getLIE $ do 
1787                 { init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1788                 ; let reft = red_reft env
1789                 ; if isEmptyRefinement reft then return init_state
1790                   else foldlM (addRefinedGiven reft)
1791                                     init_state given_dicts }
1792
1793         -- *** ToDo: what to do with the "extra_givens"?  For the
1794         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1795
1796           -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1797           --    wrt. the toplevel and given equations
1798           -- NB: normalisation includes zonking as part of what it does
1799           --     so it's important to do it after any unifications
1800           --     that happened as a result of the addGivens
1801         ; (wanted_dicts,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs wanted_dicts0
1802
1803           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1804           --    This may expose some further equational constraints...
1805         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1806         ; (dict_binds, bound_dicts, dict_irreds) <- extractResults avails wanted_dicts
1807         ; traceTc $ text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1808                       [ppr avails,ppr wanted_dicts,ppr dict_binds]
1809
1810         -- *** ToDo: what to do with the "extra_eqs"?  For the
1811         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1812
1813           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1814           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1815           --              *or* for which we now have bindings, 
1816           --              *or* which are now irreds
1817         ; let implic_env = env { red_givens = givens ++ bound_dicts ++ dict_irreds }
1818         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics0
1819         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1820               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1821
1822           -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1823         ; eq_irreds0 <- solveWantedEqs given_eqs wanted_eqs
1824
1825           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to
1826           --    each other 
1827         ; eq_irreds <- normaliseWantedEqs eq_irreds0
1828
1829           -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1830         ; let irreds = dict_irreds ++ implic_irreds
1831         ; (norm_irreds, normalise_binds2) <- substEqInDictInsts True {-wanted-}
1832                                                                 eq_irreds irreds
1833                 
1834           -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1835 --      ; eliminate_skolems     
1836
1837           -- Figure out whether we should go round again
1838           -- My current plan is to see if any of the mutable tyvars in
1839           -- givens or irreds has been filled in by improvement.  
1840           -- If so, there is merit in going around again, because
1841           -- we may make further progress
1842           -- 
1843           -- ToDo: is it only mutable stuff?  We may have exposed new
1844           --       equality constraints and should probably go round again
1845           --       then as well.  But currently we are dropping them on the
1846           --       floor anyway.
1847
1848         ; let all_irreds = norm_irreds ++ eq_irreds
1849         ; improved <- anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems $
1850                       tyVarsOfInsts (givens ++ all_irreds)
1851
1852         -- The old plan (fragile)
1853         -- improveed   = availsImproved avails 
1854         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1855         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1856         --               || (any isEqInst irreds)
1857
1858         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1859              text "----------------------",
1860              red_doc env,
1861              text "given" <+> ppr givens,
1862              text "given_eqs" <+> ppr given_eqs,
1863              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1864              text "wanted_dicts" <+> ppr wanted_dicts,
1865              text "----",
1866              text "avails" <+> pprAvails avails,
1867              text "improved =" <+> ppr improved,
1868              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1869              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1870              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1871              text "----------------------"
1872              ]))
1873
1874         ; return (improved, 
1875                   given_binds `unionBags` normalise_binds1 
1876                               `unionBags` normalise_binds2 
1877                               `unionBags` dict_binds 
1878                               `unionBags` implic_binds, 
1879                   all_irreds,
1880                   eliminate_skolems) 
1881         }
1882
1883 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1884 tcImproveOne avails inst
1885   | not (isDict inst) = return False
1886   | otherwise
1887   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1888         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1889                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1890                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1891                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1892                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1893                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1894                 -- It does not have duplicates (good)
1895                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1896                 --    so that improve will see them separate
1897         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1898         ; unifyEqns eqns }
1899
1900 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1901           -> TcM ImprovementDone
1902 unifyEqns [] = return False
1903 unifyEqns eqns
1904   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1905         ; mapM_ unify eqns
1906         ; return True }
1907   where
1908     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1909          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ do
1910            (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1911            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1912     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1913
1914 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1915
1916 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1917   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1918         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1919         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1920                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1921                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1922         ; return (tidy_env, msg) }
1923 \end{code}
1924
1925 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1926
1927 \begin{code}
1928 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1929 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1930   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1931         ; dopts <- getDOpts
1932 #ifdef DEBUG
1933         ; if n > 8 then
1934                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1935                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1936           else return ()
1937 #endif
1938         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1939             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1940           else
1941             go wanteds state }
1942   where
1943     go []     state = return state
1944     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1945                          ; go ws state' }
1946
1947     -- Base case: we're done!
1948 reduce env wanted avails
1949     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1950   | Just avail <- findAvail avails wanted
1951   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1952        ; return avails
1953        }
1954
1955   | otherwise
1956   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
1957         ; case red_try_me env wanted of {
1958             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1959                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1960
1961             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1962                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1963                 ; case lookup_result of
1964                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1965                              -- Add it and its superclasses
1966                              
1967                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1968
1969                     GenInst wanteds' rhs
1970                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1971                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1972                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1973                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1974                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1975                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1976                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1977                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1978                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1979                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1980                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1981     } }
1982   where
1983         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1984         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1985         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1986     try_simple do_this_otherwise
1987       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1988            ; case res of
1989                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1990                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1991 \end{code}
1992
1993
1994 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1995 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1996 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1997 and want to deduce (d2:C [a]) where
1998
1999         class Ord a => C a where
2000         instance Ord [a] => C [a] where ...
2001
2002 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2003 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2004 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2005 build a loop! 
2006
2007 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2008         class Monad m => C1 m
2009         class C1 m => C2 m x
2010         instance C2 Maybe Bool
2011 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2012 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2013 before we search for C1 Maybe.
2014
2015 Here's another example 
2016         class Eq b => Foo a b
2017         instance Eq a => Foo [a] a
2018 If we are reducing
2019         (Foo [t] t)
2020
2021 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2022 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2023
2024 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2025 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2026 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2027 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2028 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2029 first time, but reducible next time.
2030
2031 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2032 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2033
2034
2035 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2036 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2037 Consider 
2038     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2039     
2040     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2041         ZeroD     == ZeroD     = True
2042         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2043         _         == _         = False;
2044     
2045     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2046     equalDC = (==);
2047
2048 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2049
2050         d1 : Eq (D [])
2051
2052 by instance decl, holds if
2053         d2 : Eq [D []]
2054         where   d1 = dfEqD d2
2055
2056 by instance decl of Eq, holds if
2057         d3 : D []
2058         where   d2 = dfEqList d3
2059                 d1 = dfEqD d2
2060
2061 But now we can "tie the knot" to give
2062
2063         d3 = d1
2064         d2 = dfEqList d3
2065         d1 = dfEqD d2
2066
2067 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2068 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2069 contributing clauses.
2070         
2071
2072 %************************************************************************
2073 %*                                                                      *
2074                 Reducing a single constraint
2075 %*                                                                      *
2076 %************************************************************************
2077
2078 \begin{code}
2079 ---------------------------------------------
2080 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2081 reduceInst env avails other_inst
2082   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2083         ; return (avails, result) }
2084 \end{code}
2085
2086 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2087 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2088
2089 An implication constraint is of the form 
2090         Given => Wanted 
2091 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2092 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2093 is distinct:
2094
2095 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2096    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2097    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2098    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2099
2100 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2101    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2102    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2103    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2104    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2105    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2106
2107 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2108 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2109 which are types.
2110
2111 \begin{code}
2112 ---------------------------------------------
2113 reduceImplication :: RedEnv
2114                   -> Inst
2115                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2116 \end{code}
2117
2118 Suppose we are simplifying the constraint
2119         forall bs. extras => wanted
2120 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
2121 and refinment 'reft'.
2122
2123 Note that
2124   * The refinement is often empty
2125
2126   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
2127         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2128                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2129
2130     This happens when you have something like
2131         data T a where
2132           T1 :: Eq a => a -> T a
2133
2134         f :: T a -> Int
2135         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2136
2137 \begin{code}
2138         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2139         --
2140         -- Note on coercion variables:
2141         --
2142         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2143         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2144         --              the solved equational constraints use these binders
2145         --
2146         --      -) at the solving site of the implication constraint
2147         --              the solved dictionaries use these binders               
2148         --              these binders are generated by reduceImplication
2149         --
2150 reduceImplication env
2151         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2152                                   tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft,
2153                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2154   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
2155                 -- Todo fix this 
2156 --        (refined_red_givens,refined_avails)
2157 --              <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env,orig_avails)
2158 --                 else foldlM (addRefinedGiven reft) ([],orig_avails) (red_givens env)
2159 --      Commented out SLPJ Sept 07; see comment with extractLocalResults below
2160           let refined_red_givens = []
2161
2162                 -- Solve the sub-problem
2163         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
2164               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2165                          , red_reft = reft
2166                          , red_doc = sep [ptext SLIT("reduceImplication for") <+> ppr name,
2167                                           nest 2 (parens $ ptext SLIT("within") <+> red_doc env)]
2168                          , red_try_me = try_me }
2169
2170         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2171                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2172                           ppr reft, ppr wanteds])
2173         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2174         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2175                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2176                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2177                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2178
2179                 -- Note [Reducing implication constraints]
2180                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2181
2182         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2183                         [ppr irreds, ppr binds])
2184
2185         ; -- extract superclass binds
2186           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2187 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2188 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2189 --  
2190
2191         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2192         -- Then we must iterate the outer loop too!
2193
2194         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2195
2196 --      Progress is no longer measered by the number of bindings
2197         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then        -- No progress
2198                 -- If there are any irreds, we back off and do nothing
2199                 return (emptyBag, [orig_implic])
2200           else do
2201         { (simpler_implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens irreds
2202                         -- This binding is useless if the recursive simplification
2203                         -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2204                         -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2205                         -- when inferring types.
2206
2207         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2208                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2209                 --  we need a different evidence for given
2210                 --  equations depending on whether we solve
2211                 --  dictionary constraints or equational constraints
2212
2213                 eq_tyvars = varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2214                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2215                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2216                         --              it makes no difference
2217                 co  = wrap_inline       -- Note [Always inline implication constraints]
2218                       <.> mkWpTyLams tvs
2219                       <.> mkWpLams eq_tyvars
2220                       <.> mkWpLams dict_ids
2221                       <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2222                 wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2223                             | otherwise     = WpInline
2224                 rhs = mkHsWrap co payload
2225                 loc = instLocSpan inst_loc
2226                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2227                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2228
2229         
2230         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2231                          ppr simpler_implic_insts,
2232                          text "->" <+> ppr rhs])
2233         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) (L loc rhs))),
2234                   simpler_implic_insts)
2235         } 
2236     }
2237 \end{code}
2238
2239 Note [Always inline implication constraints]
2240 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2241 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2242 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2243 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2244 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2245 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2246 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2247 there is no loss of sharing as a result.
2248
2249 Note [Freeness and implications]
2250 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2251 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2252         forall {} Eq a => Foo [a]
2253 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2254 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2255
2256 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2257 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2258         forall {a}. () => Bar b
2259 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2260 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2261 must be much more careful:
2262         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2263 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2264 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2265
2266 Here is an even more exotic example
2267         class C a => D a b
2268 Now consider the constraint
2269         forall b. D Int b => C Int
2270 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2271 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2272 the constraints!
2273
2274 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2275 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2276 Suppose we are about to form the implication constraint
2277         forall tvs.  Eq a => Ord b
2278 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2279 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2280
2281 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2282 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2283 advantage of that at the moment.
2284
2285 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2286
2287
2288 %************************************************************************
2289 %*                                                                      *
2290                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2291 %*                                                                      *
2292 %************************************************************************
2293
2294
2295 \begin{code}
2296 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2297
2298 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2299                                 -- so some Irreds might now be reducible
2300                                 -- keys that are now 
2301
2302 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2303 data AvailHow
2304   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2305                         -- which are going to be lambda bound
2306
2307   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2308                         -- e.g. those "given" in a signature
2309
2310   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2311         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2312         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2313
2314 instance Outputable Avails where
2315   ppr = pprAvails
2316
2317 pprAvails (Avails imp avails)
2318   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2319          , nest 2 $ braces $ 
2320            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2321                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2322
2323 instance Outputable AvailHow where
2324     ppr = pprAvail
2325
2326 -------------------------
2327 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2328 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2329 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2330 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2331                                nest 2 (ppr rhs)]
2332
2333 -------------------------
2334 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2335 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2336
2337 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2338 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2339         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2340         --  *not* by unique.  So
2341         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2342
2343 emptyAvails :: Avails
2344 emptyAvails = Avails False emptyFM
2345
2346 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2347 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2348
2349 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2350 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2351
2352 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2353 -- Does improvement
2354 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2355   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2356         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2357
2358 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2359 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2360
2361 availsImproved (Avails imp _) = imp
2362
2363 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2364 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2365 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2366 \end{code}
2367
2368 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2369 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2370 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2371 dependency analyser can sort them out later
2372
2373 \begin{code}
2374 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2375 -- Tracks which things we have evidence for
2376
2377 extractResults :: Avails
2378                -> [Inst]                -- Wanted
2379                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2380                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2381                        [Inst])          -- Irreducible ones
2382                         -- Note [Reducing implication constraints]
2383
2384 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2385   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2386   where
2387     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2388         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2389         -> [Inst]       -- Irreds
2390         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2391         -> [Inst]       -- Wanted
2392         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2393     go binds bound_dicts irreds done [] 
2394       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2395
2396     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2397       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2398       = if w_id `elem` done_ids then
2399            go binds bound_dicts irreds done ws
2400         else
2401            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2402               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2403
2404       | otherwise       -- Not yet done
2405       = case findAvailEnv avails w of
2406           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2407                      go binds bound_dicts irreds done ws
2408
2409           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2410
2411           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2412
2413           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2414                 where
2415                   g_id = instToId g
2416                   binds' | w_id == g_id = binds
2417                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2418       where
2419         w_id  = instToId w      
2420         done' = addToFM done w [w_id]
2421         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2422 \end{code}
2423
2424
2425 Note [No superclasses for Stop]
2426 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2427 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2428 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2429 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2430         df::Floating a
2431         dn::Num a
2432 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2433 here lest we lose sharing.
2434
2435 \begin{code}
2436 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2437 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2438   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2439   where
2440     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2441
2442 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2443 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given given)
2444         -- Always add superclasses for 'givens'
2445         --
2446         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2447         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2448         -- so the assert isn't true
2449
2450 addRefinedGiven :: Refinement -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2451 addRefinedGiven reft avails given
2452   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2453                         -- are always optional, so we can drop them
2454   , let pred = dictPred given
2455   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2456   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2457   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2458         ; let rhs = L (instSpan given) $
2459                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2460         ; addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given]) }
2461             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2462             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2463             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2464   | otherwise
2465   = return avails
2466 \end{code}
2467
2468 Note [ImplicInst rigidity]
2469 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2470 Consider
2471         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2472         
2473         ...(case x of C v -> <body>)...
2474
2475 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2476         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2477 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2478 of form
2479         forall c. <reft> => <payload>
2480 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2481 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2482 be wobbly. Hence the isRigidInst
2483
2484 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2485 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2486 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2487 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2488
2489 \begin{code}
2490 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2491 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2492                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2493
2494 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2495 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2496   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2497   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2498   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2499                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2500                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2501   where
2502     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2503                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2504     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2505     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2506
2507     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2508     -- Find all the Insts that this one depends on
2509     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2510     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2511     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2512     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2513     findAllDeps so_far other        = so_far
2514
2515     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2516     find_all so_far kid
2517       | isEqInst kid                       = so_far
2518       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2519       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2520       | otherwise                          = so_far'
2521       where
2522         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2523         kid_id = instToId kid
2524
2525 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2526         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2527         -- The first param says "don't do this because the original thing
2528         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2529         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2530
2531 addSCs is_loop avails dict
2532   = ASSERT( isDict dict )
2533     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2534         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2535   where
2536     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2537     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2538     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2539                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2540
2541     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2542       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2543       | is_given sc_dict           = return avails
2544       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2545                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2546       where
2547         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2548         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2549
2550     is_given :: Inst -> Bool
2551     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2552                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2553                           other          -> False       
2554
2555 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2556 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2557 --
2558 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2559 ancestorEqualities
2560   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2561     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2562     . bagToList 
2563     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2564     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2565     . filter isClassDict
2566   where
2567     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2568     addAEsToBag bag []           = bag
2569     addAEsToBag bag (pred:preds)
2570       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2571       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2572       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2573       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2574       where
2575         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2576         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2577         --
2578         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2579         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2580 \end{code}
2581
2582
2583 %************************************************************************
2584 %*                                                                      *
2585 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2586 %*                                                                      *
2587 %************************************************************************
2588
2589
2590 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2591 and ambiguous Insts.
2592
2593 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2594
2595         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2596
2597 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2598 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2599
2600 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2601
2602
2603 \begin{code}
2604 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2605 tcSimplifyTop wanteds
2606   = tc_simplify_top doc False wanteds
2607   where 
2608     doc = text "tcSimplifyTop"
2609
2610 tcSimplifyInteractive wanteds
2611   = tc_simplify_top doc True wanteds
2612   where 
2613     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2614
2615 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2616 -- error message generation for the monomorphism restriction
2617 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2618   = do  { dflags <- getDOpts
2619         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2620         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2621
2622         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2623         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2624 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2625         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2626         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2627         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2628
2629                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2630                 -- NB: irreds2 are already zonked
2631         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2632
2633                 -- Deal with implicit parameters
2634         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2635               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2636
2637         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2638                                 --                  f x = x + ?y
2639         ; addNoInstanceErrs others
2640         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2641
2642         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2643   where
2644     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2645     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2646     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2647 \end{code}
2648
2649 If a dictionary constrains a type variable which is
2650         * not mentioned in the environment
2651         * and not mentioned in the type of the expression
2652 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2653 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2654 parameter to a function.
2655
2656 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2657 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2658 Specifically, if
2659         * at least one of its classes is a numeric class, and
2660         * all of its classes are numeric or standard
2661 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2662 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2663
2664 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2665 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2666 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2667 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2668
2669 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2670 the same type variable.
2671
2672 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2673 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2674 the most common use of defaulting is code like:
2675 \begin{verbatim}
2676         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2677 \end{verbatim}
2678 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2679 @void@.
2680
2681 \begin{code}
2682 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2683         -- Just does unification to fix the default types
2684         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2685 disambiguate doc interactive dflags insts
2686   | null insts
2687   = return (insts, emptyBag)
2688
2689   | null defaultable_groups
2690   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2691         ; return (insts, emptyBag) }
2692
2693   | otherwise
2694   = do  {       -- Figure out what default types to use
2695           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2696
2697         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2698         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2699
2700         -- disambigGroup does unification, hence try again
2701         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2702
2703   where
2704    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2705    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2706
2707    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2708    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2709    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2710    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2711
2712         -- Finds unary type-class constraints
2713    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2714         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2715    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2716
2717                 -- Group by type variable
2718    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2719    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2720    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2721
2722    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2723    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2724         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2725         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2726         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2727    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2728
2729    defaultable_classes clss 
2730         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2731         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2732
2733         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2734         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2735    isInteractiveClass cls 
2736         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2737
2738    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2739         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2740         -- when -foverloaded-strings is enabled
2741
2742    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2743         -- Similarly is_std_class
2744
2745 -----------------------
2746 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2747               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2748               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2749
2750 disambigGroup default_tys dicts
2751   = try_default default_tys
2752   where
2753     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2754     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2755
2756     try_default [] = return ()
2757     try_default (default_ty : default_tys)
2758       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2759         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2760                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2761                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2762                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2763                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2764                 -- default list is Int.
2765
2766                 -- After this we can't fail
2767            ; warnDefault dicts default_ty
2768            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2769            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2770            }
2771
2772
2773 -----------------------
2774 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2775 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2776   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2777         ; case mb_defaults of {
2778            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2779            Nothing  -> do
2780
2781         -- No use-supplied default
2782         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2783         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2784         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2785         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2786         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2787                         -- Note [Default unitTy]
2788                         ++
2789                   [integer_ty,doubleTy]
2790                         ++
2791                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2792   where
2793     opt_deflt True  ty = [ty]
2794     opt_deflt False ty = []
2795 \end{code}
2796
2797 Note [Default unitTy]
2798 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2799 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2800 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2801 Consider: 
2802         Text.Printf.printf "hello"
2803 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2804 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2805 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2806 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2807 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2808
2809 Note [Avoiding spurious errors]
2810 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2811 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2812 type variables, and simply don't default them.  For example:
2813    f = (*)      -- Monomorphic
2814    g :: Num a => a -> a
2815    g x = f x x
2816 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2817 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2818 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2819 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2820 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2821
2822
2823 %************************************************************************
2824 %*                                                                      *
2825 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2826 %*                                                                      *
2827 %************************************************************************
2828
2829 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2830
2831 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2832 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2833 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2834
2835 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2836 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2837 instance declarations.
2838
2839 \begin{code}
2840 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2841                 -> [TyVar]      
2842                 -> ThetaType            -- Wanted
2843                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2844 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2845 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2846
2847 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2848   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2849         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2850         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2851         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2852         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2853         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2854
2855         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2856         ; addNoInstanceErrs others
2857         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2858
2859         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2860               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2861                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2862                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2863
2864         ; return simpl_theta }
2865   where
2866     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2867
2868     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2869             | otherwise   = False
2870 \end{code}
2871
2872
2873 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2874 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2875 whether it worked or not.
2876
2877 \begin{code}
2878 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2879                   -> TcM ()
2880
2881 tcSimplifyDefault theta = do
2882     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
2883     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2884     addNoInstanceErrs  irreds
2885     if null irreds then
2886         return ()
2887      else
2888         traceTc (ptext SLIT("tcSimplifyDefault failing")) >> failM
2889   where
2890     doc = ptext SLIT("default declaration")
2891 \end{code}
2892
2893
2894 %************************************************************************
2895 %*                                                                      *
2896 \section{Errors and contexts}
2897 %*                                                                      *
2898 %************************************************************************
2899
2900 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2901 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2902 now?
2903
2904 \begin{code}
2905 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2906           -> [Inst]             -- The offending Insts
2907           -> TcM ()
2908 -- Group together insts with the same origin
2909 -- We want to report them together in error messages
2910
2911 groupErrs report_err [] 
2912   = return ()
2913 groupErrs report_err (inst:insts)
2914   = do  { do_one (inst:friends)
2915         ; groupErrs report_err others }
2916   where
2917         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2918         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2919         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2920    (friends, others) = partition is_friend insts
2921    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2922    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2923    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2924                 -- Add location and context information derived from the Insts
2925
2926 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2927 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2928 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2929
2930 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2931 addTopIPErrs bndrs [] 
2932   = return ()
2933 addTopIPErrs bndrs ips
2934   = do  { dflags <- getDOpts
2935         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2936   where
2937     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2938     mk_msg dflags ips 
2939         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2940                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2941                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2942                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2943                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2944                 monomorphism_fix dflags]
2945     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2946
2947 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2948 topIPErrs dicts
2949   = groupErrs report tidy_dicts
2950   where
2951     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2952     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2953     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2954                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2955
2956 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2957                   -> TcM ()     
2958 addNoInstanceErrs insts
2959   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
2960         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
2961
2962 reportNoInstances 
2963         :: TidyEnv
2964         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
2965                         -- Nothing => top level
2966                         -- Just (d,g) => d describes the construct
2967                         --               with givens g
2968         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
2969         -> TcM ()       
2970
2971 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
2972   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
2973
2974 report_no_instances tidy_env mb_what insts
2975   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
2976        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
2977              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
2978              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
2979        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
2980                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
2981        ; mapM_ complain_implic implics
2982        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
2983        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
2984        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
2985        }
2986   where
2987     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
2988
2989     complain_implic inst        -- Recurse!
2990       = reportNoInstances tidy_env 
2991                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
2992                           (tci_wanted inst)
2993
2994     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
2995         -- Right msg  => overlap message
2996         -- Left  inst => no instance
2997     check_overlap inst_envs wanted
2998         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
2999         | otherwise
3000         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3001                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3002                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3003                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3004 #ifdef DEBUG
3005                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3006 #endif
3007                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
3008                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3009           where
3010             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3011
3012     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3013       = ASSERT( not (null matches) )
3014         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
3015                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3016                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
3017                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3018                 if not (isSingleton matches)
3019                 then    -- Two or more matches
3020                      empty
3021                 else    -- One match, plus some unifiers
3022                 ASSERT( not (null unifiers) )
3023                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
3024                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3025                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
3026                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
3027       where
3028         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3029
3030     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3031     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3032
3033     mk_no_inst_err insts
3034       | null insts = empty
3035
3036       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3037         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3038       = vcat [ addInstLoc insts $
3039                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3040                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3041              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3042
3043       | otherwise       -- Top level 
3044       = vcat [ addInstLoc insts $
3045                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
3046                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
3047              , show_fixes fixes2 ]
3048
3049       where
3050         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
3051                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
3052                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3053                          -- I'm not sure it helps to add the location
3054                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3055
3056         fixes2 | null instance_dicts = []
3057                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
3058                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3059         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3060                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3061                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3062
3063         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3064         show_fixes []     = empty
3065         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
3066                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
3067
3068 addTopAmbigErrs dicts
3069 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3070   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3071                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3072     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3073   where
3074     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3075
3076     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3077     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3078     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3079     
3080     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3081     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3082           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3083           setSrcSpan (instSpan inst) $
3084                 -- the location of the first one will do for the err message
3085            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3086         where
3087           dicts = map fst pairs
3088           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3089                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3090                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3091           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3092     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3093
3094
3095 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3096 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3097 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3098 -- Try to identify the offending variable
3099 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3100 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3101   = do  { dflags <- getDOpts
3102         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3103         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3104   where
3105     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3106         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3107                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3108                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3109     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3110                         -- This happens in things like
3111                         --      f x = show (read "foo")
3112                         -- where monomorphism doesn't play any role
3113     mk_msg dflags docs 
3114         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3115                 nest 2 (vcat docs),
3116                 monomorphism_fix dflags]
3117
3118 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3119 monomorphism_fix dflags
3120   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3121         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3122          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3123            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3124            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3125                         -- if it is not already set!
3126     
3127 warnDefault ups default_ty = do
3128     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3129     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3130   where
3131     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3132
3133         -- Tidy them first
3134     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3135     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3136                                 quotes (ppr default_ty),
3137                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3138
3139 reduceDepthErr n stack
3140   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3141           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3142           nest 4 (pprStack stack)]
3143
3144 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3145 \end{code}