Properly ppr InstEqs in wanteds of implication constraints
[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'  <- mappM zonkInst wanted     -- Zonk before deciding quantified tyvars
661         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
662         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
663               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
664               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
665                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
666
667                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
668                 -- constraints that don't mention qtvs at all
669         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
670         ; extendLIEs free
671
672                 -- To make types simple, reduce as much as possible
673         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
674                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
675         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
676
677                 -- Note [Inference and implication constraints]
678         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
679         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
680
681                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
682                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
683                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
684                 --    quantify over any variable free in the environment
685                 --    tc137 (function h inside g) is an example
686                 --
687                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
688                 --    mention quantified type variables, because they are
689                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
690                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
691                 --      g x = fst (f x)
692                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
693                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
694                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
695                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
696                 --    See test tcfail181
697                 --
698                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
699                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
700                 --          wanteds = Foo [a]
701                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
702                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
703         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
704         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
705                 -- Note that we start from gbl_tvs1
706                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
707                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
708                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
709                 --              gbl_tvs = {a}
710                 --              tau_tvs = {b}
711                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
712                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
713         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
714               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
715         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
716         ; extendLIEs free
717
718                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
719         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
720
721                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
722                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
723         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
724         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
725         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
726
727                 -- Prepare equality instances for quantification
728         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
729         ; q_eqs <- mappM finalizeEqInst q_eqs0
730
731         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
732         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
733         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
734
735 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
736 -- Note [Inference and implication constraints]
737 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
738 --      - fetching any dicts inside them that are free
739 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
740 --      - returning the extra ones too
741
742 approximateImplications doc want_dict irreds
743   | null extra_dicts 
744   = return (irreds, emptyBag)
745   | otherwise
746   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
747         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
748                 -- By adding extra_dicts', we make them 
749                 -- available to solve the implication constraints
750   where 
751     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
752
753     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
754         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
755         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
756     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
757
758     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
759                          | otherwise   = []
760     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
761         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
762               , d <- get_dicts wanteds 
763               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
764     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
765                            | otherwise   = [] 
766     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
767 \end{code}
768
769 Note [Inference and implication constraints]
770 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
771 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
772 a nested pattern match) like
773         C a => D [a]
774 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
775 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
776         instance (C a, E a) => D [a]
777 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
778 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
779 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
780 with 'given' implications.
781
782 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
783 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
784 the strange function get_dicts in approximateImplications.
785
786 The common cases are more clear-cut, when we have things like
787         forall a. C a => C b
788 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
789 Note [Freeness and implications].
790  
791 See Trac #1430 and test tc228.
792
793
794 \begin{code}
795 -----------------------------------------------------------
796 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
797 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
798 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
799 tcSimplifyInferCheck
800          :: InstLoc
801          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
802          -> [Inst]              -- Given
803          -> [Inst]              -- Wanted
804          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
805                  TcDictBinds)   -- Bindings
806
807 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
808   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
809         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
810
811         -- Figure out which type variables to quantify over
812         -- You might think it should just be the signature tyvars,
813         -- but in bizarre cases you can get extra ones
814         --      f :: forall a. Num a => a -> a
815         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
816         --      g a b = (b,a)
817         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
818         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
819         -- f isn't quantified over b.
820         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
821         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
822         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
823         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
824                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
825                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
826                 -- dictionaries, we quantify over
827
828         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
829
830                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
831         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
832
833         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
834         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
835 \end{code}
836
837 Note [Squashing methods]
838 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
839 Be careful if you want to float methods more:
840         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
841 From an application (truncate f i) we get
842         t1 = truncate at f
843         t2 = t1 at i
844 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
845         t3 = truncate at f
846         t4 = t3 at i
847 When simplifying with i,f free, we might still notice that
848 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
849 may continue to float out!
850
851
852 Note [NO TYVARS]
853 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
854         class Y a b | a -> b where
855             y :: a -> X b
856         
857         instance Y [[a]] a where
858             y ((x:_):_) = X x
859         
860         k :: X a -> X a -> X a
861
862         g :: Num a => [X a] -> [X a]
863         g xs = h xs
864             where
865             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
866
867 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
868 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
869 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
870 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
871 polymorphic in.  
872
873 The net effect of [NO TYVARS] 
874
875 \begin{code}
876 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
877 isFreeWhenInferring qtvs inst
878   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
879   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
880                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
881
882 {-      No longer used (with implication constraints)
883 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
884                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
885                    -> Inst -> Bool
886 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
887   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
888   && isFreeWrtIPs    ips inst
889 -}
890
891 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
892 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
893 \end{code}
894
895
896 %************************************************************************
897 %*                                                                      *
898 \subsection{tcSimplifyCheck}
899 %*                                                                      *
900 %************************************************************************
901
902 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
903 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
904
905 \begin{code}
906 -----------------------------------------------------------
907 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
908 -- class decls, instance decls etc.
909 tcSimplifyCheck :: InstLoc
910                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
911                 -> [Inst]               -- Given
912                 -> [Inst]               -- Wanted
913                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
914 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
915   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
916     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
917         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
918         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
919         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
920
921 -----------------------------------------------------------
922 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
923 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
924                    -> [CoVar] -> Refinement
925                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
926                    -> [Inst]            -- Given
927                    -> [Inst]            -- Wanted
928                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
929 tcSimplifyCheckPat loc co_vars reft qtvs givens wanteds
930   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
931     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
932         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
933         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs co_vars reft 
934                                     givens irreds
935         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
936
937 -----------------------------------------------------------
938 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
939            -> [Inst] -> [Inst]
940            -> TcM TcDictBinds
941 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
942   = bindIrredsR loc qtvs [] emptyRefinement givens irreds
943
944 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
945             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
946             -> TcM TcDictBinds  
947 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
948 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
949 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
950   | null irreds
951   = return emptyBag
952   | otherwise
953   = do  { let givens' = filter 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                   [Inst])               -- needed givens
1101 -- Precondition: givens are completely rigid
1102 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1103
1104 checkLoop env wanteds
1105   = go env wanteds []
1106   where go env wanteds needed_givens
1107           = do {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1108                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1109                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1110         
1111                 ; (improved, binds, irreds, more_needed_givens) <- reduceContext env' wanteds'
1112
1113                 ; let all_needed_givens = needed_givens ++ more_needed_givens
1114         
1115                 ; if not improved then
1116                      return (irreds, binds, all_needed_givens)
1117                   else do
1118         
1119                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1120                 -- We start again with irreds, not wanteds
1121                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
1122                 -- which might have been unified, so we'd get an infinite loop
1123                 -- if we started again with wanteds!  See Note [LOOP]
1124                 { (irreds1, binds1, all_needed_givens1) <- go env' irreds all_needed_givens
1125                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1, all_needed_givens1) } }
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, _) <- reduceContext env wanteds'
1374
1375         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1376         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1377         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1378         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1379
1380         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1381                                 -- As in tcSimplifyInfer
1382
1383                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1384                 -- this is the monomorphism restriction
1385               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1386               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1387               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1388
1389         -- Warn in the mono
1390         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1391         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1392                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1393                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1394                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1395
1396         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1397                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1398                 ppr _binds,
1399                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1400
1401         -- The first step may have squashed more methods than
1402         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1403         -- set of type variables to quantify over.
1404         --
1405         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1406         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1407         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1408         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1409         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1410         --
1411         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1412         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1413         -- just to float all constraints
1414         --
1415         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1416         -- expose implicit parameters to the test that follows
1417         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1418               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1419                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1420                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1421               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1422         ; (_imp, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1423
1424         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1425         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1426           if is_nested_group then
1427                 extendLIEs irreds
1428           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1429                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1430                   ; extendLIEs non_ips }
1431
1432         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1433         ; return (qtvs', binds) }
1434 \end{code}
1435
1436
1437 %************************************************************************
1438 %*                                                                      *
1439                 tcSimplifyRuleLhs
1440 %*                                                                      *
1441 %************************************************************************
1442
1443 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1444 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1445 as the available stuff for the RHS of the rule.
1446
1447 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1448         
1449         f (x == y) (y > z) = ...
1450
1451 If we typecheck this expression we get constraints
1452
1453         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1454
1455 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1456
1457         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1458           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1459
1460 Instead we want 
1461
1462         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1463           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1464
1465 Here is another example:
1466
1467         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1468         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1469
1470 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1471 we *dont* want to get
1472
1473         forall dIntegralInt.
1474            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1475
1476 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1477
1478         forall dIntegralInt, dNumInt.
1479           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1480
1481 Even if we have 
1482
1483         g (x == y) (y == z) = ..
1484
1485 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1486
1487         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1488           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1489
1490 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1491 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1492
1493 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1494 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1495 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1496
1497 \begin{code}
1498 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1499 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1500   = go [] emptyBag wanteds
1501   where
1502     go dicts binds []
1503         = return (dicts, binds)
1504     go dicts binds (w:ws)
1505         | isDict w
1506         = go (w:dicts) binds ws
1507         | otherwise
1508         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1509                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1510              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1511              ; case lookup_result of
1512                  GenInst ws' rhs -> 
1513                    go dicts (addInstToDictBind binds w rhs) (ws' ++ ws)
1514                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1515           }
1516 \end{code}
1517
1518 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1519 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1520 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1521 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1522 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1523 this bracket again at its usage site.
1524
1525 \begin{code}
1526 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1527 tcSimplifyBracket wanteds
1528   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1529         ; return () }
1530   where
1531     doc = text "tcSimplifyBracket"
1532 \end{code}
1533
1534
1535 %************************************************************************
1536 %*                                                                      *
1537 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1538 %*                                                                      *
1539 %************************************************************************
1540
1541 When we have
1542         let ?x = R in B
1543
1544 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1545 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1546
1547 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1548
1549         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1550         let ?x = 3 in f 'c'
1551
1552 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1553 force the binding for ?x to be of type Int.
1554
1555 \begin{code}
1556 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1557               -> [Inst]         -- Wanted
1558               -> TcM TcDictBinds
1559         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1560         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1561         --      let ?x = e in ?x
1562         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1563         -- makes them the same.
1564
1565 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1566   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1567         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1568                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1569
1570         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1571         ; (improved, binds, irreds, _) <- reduceContext env wanteds'
1572
1573         ; if not improved then 
1574                 ASSERT( all is_free irreds )
1575                 do { extendLIEs irreds
1576                    ; return binds }
1577           else
1578                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1579   where
1580     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1581     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1582     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1583
1584         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1585     try_me inst | is_free inst = Stop
1586                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1587 \end{code}
1588
1589
1590 %************************************************************************
1591 %*                                                                      *
1592 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1593 %*                                                                      *
1594 %************************************************************************
1595
1596 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1597 For example, we might have...
1598 \begin{verbatim}
1599 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1600     f.1 = f Int     -- two instances of f
1601     f.2 = f Float
1602  in
1603     (f.1 5, f.2 6.7)
1604 \end{verbatim}
1605 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1606 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1607 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1608 there, they would have unresolvable references to @f@.
1609
1610 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1611 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1612 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1613 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1614
1615 \begin{code}
1616 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1617 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1618 --      fm = f tys dicts
1619 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1620 --      d1 = d2
1621 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1622 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1623
1624 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1625   | null overloaded_ids
1626         -- Common case
1627   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1628     returnM emptyLHsBinds
1629
1630   | otherwise
1631   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1632         ; extendLIEs not_for_me 
1633         ; extendLIEs irreds
1634         ; return binds }
1635   where
1636     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1637     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1638     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1639     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1640
1641     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1642                                                 -- so it's worth building a set, so that
1643                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1644 \end{code}
1645
1646
1647 %************************************************************************
1648 %*                                                                      *
1649 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1650 %*                                                                      *
1651 %************************************************************************
1652
1653 The main control over context reduction is here
1654
1655 \begin{code}
1656 data RedEnv 
1657   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1658            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1659            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1660            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1661                                                 -- Always dicts
1662                                                 -- but see Note [Rigidity]
1663            , red_reft :: Refinement             -- The refinement to apply to the 'givens'
1664                                                 -- You should think of it as 'given equalities'
1665            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1666                                                 -- See Note [RedStack]
1667   }
1668
1669 -- Note [Rigidity]
1670 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1671 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1672 --      let ?x = e in ...
1673 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1674 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1675
1676 -- Note [RedStack]
1677 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1678 -- 'n' is always the depth of the stack.
1679 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1680 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1681
1682
1683 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1684 mkRedEnv doc try_me givens
1685   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1686              red_givens = givens, 
1687              red_reft = emptyRefinement,
1688              red_stack = (0,[]),
1689              red_improve = True }       
1690
1691 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1692 -- Do not do improvement; no givens
1693 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1694   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1695              red_givens = [], red_reft = emptyRefinement,
1696              red_stack = (0,[]),
1697              red_improve = True }       
1698
1699 data WhatToDo
1700  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1701                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1702                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1703                         -- message of any kind.
1704                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1705
1706  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1707                         -- be reduced to a constant in one step
1708                         -- Do not add superclasses; see 
1709
1710 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1711                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1712         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1713         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1714
1715 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1716 zonkRedEnv env 
1717   = do { givens' <- mappM zonkInst (red_givens env)
1718        ; return $ env {red_givens = givens'}
1719        }
1720 \end{code}
1721
1722
1723 %************************************************************************
1724 %*                                                                      *
1725 \subsection[reduce]{@reduce@}
1726 %*                                                                      *
1727 %************************************************************************
1728
1729 Note [Ancestor Equalities]
1730 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1731 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1732 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1733 class constraints.  Consider the following code
1734
1735   class a ~ Int => C a
1736   instance C Int
1737
1738 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1739 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1740 discharge with the explicit instance.
1741
1742 \begin{code}
1743 reduceContext :: RedEnv
1744               -> [Inst]                 -- Wanted
1745               -> TcM (ImprovementDone,
1746                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1747                       [Inst],           -- Irreducible
1748                       [Inst])           -- Needed givens
1749
1750 reduceContext env wanteds
1751   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1752              text "----------------------",
1753              red_doc env,
1754              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1755              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1756              text "----------------------"
1757              ]))
1758
1759
1760         ; let givens                       = red_givens env
1761               (given_eqs0, given_dicts0)   = partition isEqInst givens
1762               (wanted_eqs0, wanted_dicts0) = partition isEqInst wanteds
1763
1764           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1765           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1766           -- See Note [Ancestor Equalities]
1767         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanted_dicts0
1768         ; let wanted_eqs = wanted_eqs0 ++ ancestor_eqs
1769         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1770
1771           -- 1. Normalise the *given* *equality* constraints
1772         ; (given_eqs, eliminate_skolems) <- normaliseGivenEqs given_eqs0
1773
1774           -- 2. Normalise the *given* *dictionary* constraints
1775           --    wrt. the toplevel and given equations
1776         ; (given_dicts, given_binds) <- normaliseGivenDicts given_eqs
1777                                                             given_dicts0
1778
1779           -- 5. Build the Avail mapping from "given_dicts"
1780           --    Add dicts refined by the current type refinement
1781         ; (init_state, extra_givens) <- getLIE $ do 
1782                 { init_state <- foldlM addGiven emptyAvails given_dicts
1783                 ; let reft = red_reft env
1784                 ; if isEmptyRefinement reft then return init_state
1785                   else foldlM (addRefinedGiven reft)
1786                                     init_state given_dicts }
1787
1788         -- *** ToDo: what to do with the "extra_givens"?  For the
1789         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1790
1791           -- 7. Normalise the *wanted* *dictionary* constraints
1792           --    wrt. the toplevel and given equations
1793           -- NB: normalisation includes zonking as part of what it does
1794           --     so it's important to do it after any unifications
1795           --     that happened as a result of the addGivens
1796         ; (wanted_dicts,normalise_binds1) <- normaliseWantedDicts given_eqs wanted_dicts0
1797
1798           -- 6. Solve the *wanted* *dictionary* constraints
1799           --    This may expose some further equational constraints...
1800         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1801         ; let (binds, irreds1, needed_givens) = extractResults avails wanted_dicts
1802         ; traceTc $ text "reduceContext extractresults" <+> vcat
1803                       [ppr avails,ppr wanted_dicts,ppr binds,ppr needed_givens]
1804
1805         -- *** ToDo: what to do with the "extra_eqs"?  For the
1806         -- moment I'm simply discarding them, which is probably wrong
1807
1808           -- 3. Solve the *wanted* *equation* constraints
1809         ; eq_irreds0 <- solveWantedEqs given_eqs wanted_eqs
1810
1811           -- 4. Normalise the *wanted* equality constraints with respect to
1812           --    each other 
1813         ; eq_irreds <- normaliseWantedEqs eq_irreds0
1814
1815           -- 8. Substitute the wanted *equations* in the wanted *dictionaries*
1816         ; (irreds,normalise_binds2) <- substEqInDictInsts eq_irreds irreds1
1817                 
1818           -- 9. eliminate the artificial skolem constants introduced in 1.
1819         ; eliminate_skolems     
1820
1821           -- Figure out whether we should go round again
1822           -- My current plan is to see if any of the mutable tyvars in
1823           -- givens or irreds has been filled in by improvement.  
1824           -- If so, there is merit in going around again, because
1825           -- we may make further progress
1826           -- 
1827           -- ToDo: is it only mutable stuff?  We may have exposed new
1828           --       equality constraints and should probably go round again
1829           --       then as well.  But currently we are dropping them on the
1830           --       floor anyway.
1831
1832         ; let all_irreds = irreds ++ eq_irreds
1833         ; improved <- anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems $
1834                       tyVarsOfInsts (givens ++ all_irreds)
1835
1836         -- The old plan (fragile)
1837         -- improveed   = availsImproved avails 
1838         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds1)
1839         --               || (not $ isEmptyBag normalise_binds2)
1840         --               || (any isEqInst irreds)
1841
1842         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1843              text "----------------------",
1844              red_doc env,
1845              text "given" <+> ppr givens,
1846              text "given_eqs" <+> ppr given_eqs,
1847              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1848              text "wanted_dicts" <+> ppr wanted_dicts,
1849              text "----",
1850              text "avails" <+> pprAvails avails,
1851              text "improved =" <+> ppr improved,
1852              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1853              text "binds = " <+> ppr binds,
1854              text "needed givens = " <+> ppr needed_givens,
1855              text "----------------------"
1856              ]))
1857
1858         ; return (improved, 
1859                   given_binds `unionBags` normalise_binds1 
1860                               `unionBags` normalise_binds2 
1861                               `unionBags` binds, 
1862                   all_irreds,
1863                   needed_givens) 
1864         }
1865
1866 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1867 tcImproveOne avails inst
1868   | not (isDict inst) = return False
1869   | otherwise
1870   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1871         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1872                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1873                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1874                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1875                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1876                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1877                 -- It does not have duplicates (good)
1878                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1879                 --    so that improve will see them separate
1880         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1881         ; unifyEqns eqns }
1882
1883 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1884           -> TcM ImprovementDone
1885 unifyEqns [] = return False
1886 unifyEqns eqns
1887   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1888         ; mappM_ unify eqns
1889         ; return True }
1890   where
1891     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1892          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2)   $
1893            tcInstTyVars (varSetElems qtvs)      `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1894            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1895     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1896
1897 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1898
1899 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1900   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1901         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1902         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1903                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1904                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1905         ; return (tidy_env, msg) }
1906 \end{code}
1907
1908 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1909
1910 \begin{code}
1911 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1912 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1913   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
1914         ; dopts <- getDOpts
1915 #ifdef DEBUG
1916         ; if n > 8 then
1917                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1918                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1919           else return ()
1920 #endif
1921         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1922             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1923           else
1924             go wanteds state }
1925   where
1926     go []     state = return state
1927     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1928                          ; go ws state' }
1929
1930     -- Base case: we're done!
1931 reduce env wanted avails
1932     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1933   | Just avail <- findAvail avails wanted
1934   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
1935        ; returnM avails 
1936        }
1937
1938   | otherwise
1939   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
1940         ; case red_try_me env wanted of {
1941             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
1942                         -- See Note [No superclasses for Stop]
1943
1944             ReduceMe want_scs -> do     -- It should be reduced
1945                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
1946                 ; case lookup_result of
1947                     NoInstance -> addIrred want_scs avails wanted
1948                              -- Add it and its superclasses
1949                              
1950                     GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1951
1952                     GenInst wanteds' rhs 
1953                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1954                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1955                                 ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' } }
1956                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1957                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1958                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1959                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1960                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1961                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
1962                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1963                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1964     } }
1965   where
1966         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1967         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1968         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1969     try_simple do_this_otherwise
1970       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1971            ; case res of
1972                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1973                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1974 \end{code}
1975
1976
1977 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1978 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1979 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1980 and want to deduce (d2:C [a]) where
1981
1982         class Ord a => C a where
1983         instance Ord [a] => C [a] where ...
1984
1985 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1986 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1987 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1988 build a loop! 
1989
1990 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1991         class Monad m => C1 m
1992         class C1 m => C2 m x
1993         instance C2 Maybe Bool
1994 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1995 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1996 before we search for C1 Maybe.
1997
1998 Here's another example 
1999         class Eq b => Foo a b
2000         instance Eq a => Foo [a] a
2001 If we are reducing
2002         (Foo [t] t)
2003
2004 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2005 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2006
2007 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2008 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2009 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2010 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2011 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2012 first time, but reducible next time.
2013
2014 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2015 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2016
2017
2018 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2019 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2020 Consider 
2021     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2022     
2023     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2024         ZeroD     == ZeroD     = True
2025         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2026         _         == _         = False;
2027     
2028     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2029     equalDC = (==);
2030
2031 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2032
2033         d1 : Eq (D [])
2034
2035 by instance decl, holds if
2036         d2 : Eq [D []]
2037         where   d1 = dfEqD d2
2038
2039 by instance decl of Eq, holds if
2040         d3 : D []
2041         where   d2 = dfEqList d3
2042                 d1 = dfEqD d2
2043
2044 But now we can "tie the knot" to give
2045
2046         d3 = d1
2047         d2 = dfEqList d3
2048         d1 = dfEqD d2
2049
2050 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2051 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2052 contributing clauses.
2053         
2054
2055 %************************************************************************
2056 %*                                                                      *
2057                 Reducing a single constraint
2058 %*                                                                      *
2059 %************************************************************************
2060
2061 \begin{code}
2062 ---------------------------------------------
2063 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2064 reduceInst env avails (ImplicInst { tci_name = name,
2065                                     tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft, tci_loc = loc,
2066                                     tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
2067   = reduceImplication env avails name reft tvs extra_givens wanteds loc
2068
2069 reduceInst env avails other_inst
2070   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2071         ; return (avails, result) }
2072 \end{code}
2073
2074 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2075 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2076
2077 An implication constraint is of the form 
2078         Given => Wanted 
2079 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2080 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2081 is distinct:
2082
2083 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2084    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2085    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2086    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2087
2088 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2089    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2090    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2091    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2092    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2093    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2094
2095 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2096 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2097 which are types.
2098
2099 \begin{code}
2100 ---------------------------------------------
2101 reduceImplication :: RedEnv
2102                  -> Avails
2103                  -> Name
2104                  -> Refinement  -- May refine the givens; often empty
2105                  -> [TcTyVar]   -- Quantified type variables; all skolems
2106                  -> [Inst]      -- Extra givens; all rigid
2107                  -> [Inst]      -- Wanted
2108                  -> InstLoc
2109                  -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2110 \end{code}
2111
2112 Suppose we are simplifying the constraint
2113         forall bs. extras => wanted
2114 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
2115 and refinment 'reft'.
2116
2117 Note that
2118   * The refinement is often empty
2119
2120   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
2121         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2122                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2123
2124     This happens when you have something like
2125         data T a where
2126           T1 :: Eq a => a -> T a
2127
2128         f :: T a -> Int
2129         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2130
2131 \begin{code}
2132         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2133         --
2134         -- Note on coercion variables:
2135         --
2136         --      The extra given coercion variables are bound at two different sites:
2137         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2138         --              the solved equational constraints use these binders
2139         --
2140         --      -) at the solving site of the implication constraint
2141         --              the solved dictionaries use these binders               
2142         --              these binders are generated by reduceImplication
2143         --
2144 reduceImplication env orig_avails name reft tvs extra_givens wanteds inst_loc
2145   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
2146                 -- Todo fix this 
2147 --        (refined_red_givens,refined_avails)
2148 --              <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env,orig_avails)
2149 --                 else foldlM (addRefinedGiven reft) ([],orig_avails) (red_givens env)
2150 --      Commented out SLPJ Sept 07; see comment with extractLocalResults below
2151           let refined_red_givens = []
2152
2153                 -- Solve the sub-problem
2154         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
2155               env' = env { red_givens = extra_givens ++ availsInsts orig_avails
2156                          , red_reft = reft
2157                          , red_doc = sep [ptext SLIT("reduceImplication for") <+> ppr name,
2158                                           nest 2 (parens $ ptext SLIT("within") <+> red_doc env)]
2159                          , red_try_me = try_me }
2160
2161         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2162                         [ ppr orig_avails,
2163                           ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2164                           ppr reft, ppr wanteds])
2165         ; (irreds,binds,needed_givens0) <- checkLoop env' wanteds
2166         ; let   (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst extra_givens
2167                         -- SLPJ Sept 07: I think this is bogus; currently
2168                         -- there are no Eqinsts in extra_givens
2169                 dict_ids = map instToId extra_dict_givens 
2170
2171                 -- needed_givens0 is the free vars of the bindings
2172                 -- Remove the ones we are going to lambda-bind
2173                 -- Use the actual dictionary identity *not* equality on Insts
2174                 -- (Mind you, it should make no difference here.)
2175         ; let needed_givens = [ng | ng <- needed_givens0
2176                                    , instToVar ng `notElem` dict_ids]
2177
2178                 -- Note [Reducing implication constraints]
2179                 -- Tom -- update note, put somewhere!
2180
2181         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2182                         [ppr irreds, ppr binds, ppr needed_givens])
2183
2184         ; -- extract superclass binds
2185           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2186 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2187 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2188 --  
2189
2190                 -- We always discard the extra avails we've generated;
2191                 -- but we remember if we have done any (global) improvement
2192 --      ; let ret_avails = avails
2193         ; let ret_avails = orig_avails
2194 --      ; let ret_avails = updateImprovement orig_avails avails
2195
2196         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2197         -- Then we must iterate the outer loop too!
2198
2199         ; traceTc (text "reduceImplication condition" <+> ppr ((isEmptyLHsBinds binds) || (null irreds)))
2200
2201 --      Progress is no longer measered by the number of bindings
2202         ; if (isEmptyLHsBinds binds) && (not $ null irreds) then        -- No progress
2203                 -- If there are any irreds, we back off and return NoInstance
2204                 return (ret_avails, NoInstance)
2205           else do
2206         { (implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens irreds
2207                         -- This binding is useless if the recursive simplification
2208                         -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2209                         -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2210                         -- when inferring types.
2211
2212         ; let   dict_wanteds = filter (not . isEqInst) wanteds
2213                 -- TOMDO: given equational constraints bug!
2214                 --  we need a different evidence for given
2215                 --  equations depending on whether we solve
2216                 --  dictionary constraints or equational constraints
2217
2218                 eq_tyvars = varSetElems $ tyVarsOfTypes $ map eqInstType extra_eq_givens
2219                         -- SLPJ Sept07: this looks Utterly Wrong to me, but I think
2220                         --              that current extra_givens has no EqInsts, so
2221                         --              it makes no difference
2222                 co  = wrap_inline       -- Note [Always inline implication constraints]
2223                       <.> mkWpTyLams tvs
2224                       <.> mkWpTyLams eq_tyvars
2225                       <.> mkWpLams dict_ids
2226                       <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2227                 wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2228                             | otherwise     = WpInline
2229                 rhs = mkHsWrap co payload
2230                 loc = instLocSpan inst_loc
2231                 payload | [dict_wanted] <- dict_wanteds = HsVar (instToId dict_wanted)
2232                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) dict_wanteds) Boxed
2233
2234         
2235         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2236                          ppr implic_insts,
2237                          text "->" <+> sep [ppr needed_givens, ppr rhs]])
2238         ; return (ret_avails, GenInst (implic_insts ++ needed_givens) (L loc rhs))
2239         } 
2240     }
2241 \end{code}
2242
2243 Note [Always inline implication constraints]
2244 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2245 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2246 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2247 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2248 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2249 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2250 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2251 there is no loss of sharing as a result.
2252
2253 Note [Reducing implication constraints]
2254 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2255 Suppose we are trying to simplify
2256         ( do: Ord a, 
2257           ic: (forall b. C a b => (W [a] b, D c b)) )
2258 where
2259         instance (C a b, Ord a) => W [a] b
2260 When solving the implication constraint, we'll start with
2261         Ord a -> Irred
2262 in the Avails.  Then we add (C a b -> Given) and solve. Extracting
2263 the results gives us a binding for the (W [a] b), with an Irred of 
2264 (Ord a, D c b).  Now, the (Ord a) comes from "outside" the implication,
2265 but the (D d b) is from "inside".  So we want to generate a GenInst
2266 like this
2267
2268    ic = GenInst 
2269            [ do  :: Ord a,
2270              ic' :: forall b. C a b => D c b]
2271            (/\b \(dc:C a b). (df a b dc do, ic' b dc))
2272
2273 The first arg of GenInst gives the free dictionary variables of the
2274 second argument -- the "needed givens".  And that list in turn is
2275 vital because it's used to determine what other dicts must be solved.
2276 This very list ends up in the second field of the Rhs, and drives
2277 extractResults.
2278
2279 The need for this field is why we have to return "needed givens"
2280 from extractResults, reduceContext, checkLoop, and so on.
2281
2282 NB: the "needed givens" in a GenInst or Rhs, may contain two dicts
2283 with the same type but different Ids, e.g. [d12 :: Eq a, d81 :: Eq a]
2284 That says we must generate a binding for both d12 and d81.
2285
2286 The "inside" and "outside" distinction is what's going on with 'inner' and
2287 'outer' in reduceImplication
2288
2289
2290 Note [Freeness and implications]
2291 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2292 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2293         forall {} Eq a => Foo [a]
2294 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2295 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2296
2297 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2298 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2299         forall {a}. () => Bar b
2300 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2301 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2302 must be much more careful:
2303         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2304 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2305 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2306
2307 Here is an even more exotic example
2308         class C a => D a b
2309 Now consider the constraint
2310         forall b. D Int b => C Int
2311 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2312 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2313 the constraints!
2314
2315 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2316 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2317 Suppose we are about to form the implication constraint
2318         forall tvs.  Eq a => Ord b
2319 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2320 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2321
2322 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2323 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2324 advantage of that at the moment.
2325
2326 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2327
2328
2329 %************************************************************************
2330 %*                                                                      *
2331                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2332 %*                                                                      *
2333 %************************************************************************
2334
2335
2336 \begin{code}
2337 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2338
2339 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2340                                 -- so some Irreds might now be reducible
2341                                 -- keys that are now 
2342
2343 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2344 data AvailHow
2345   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2346                         -- which are going to be lambda bound
2347
2348   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2349                         -- e.g. those "given" in a signature
2350
2351   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2352         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2353         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2354
2355 instance Outputable Avails where
2356   ppr = pprAvails
2357
2358 pprAvails (Avails imp avails)
2359   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2360          , nest 2 $ braces $ 
2361            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2362                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2363
2364 instance Outputable AvailHow where
2365     ppr = pprAvail
2366
2367 -------------------------
2368 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2369 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2370 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2371 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2372                                nest 2 (ppr rhs)]
2373
2374 -------------------------
2375 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2376 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2377
2378 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2379 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2380         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2381         --  *not* by unique.  So
2382         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2383
2384 emptyAvails :: Avails
2385 emptyAvails = Avails False emptyFM
2386
2387 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2388 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2389
2390 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2391 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2392
2393 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2394 -- Does improvement
2395 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail 
2396   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2397         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2398
2399 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2400 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2401
2402 availsImproved (Avails imp _) = imp
2403
2404 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2405 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2406 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2407 \end{code}
2408
2409 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2410 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2411 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2412 dependency analyser can sort them out later
2413
2414 \begin{code}
2415 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2416 -- Tracks which things we have evidence for
2417
2418 extractResults :: Avails
2419                -> [Inst]                -- Wanted
2420                -> (TcDictBinds,         -- Bindings
2421                    [Inst],              -- Irreducible ones
2422                    [Inst])              -- Needed givens, i.e. ones used in the bindings
2423                         -- Postcondition: needed-givens = free vars( binds ) \ irreds
2424                         --                needed-gives is subset of Givens in incoming Avails
2425                         -- Note [Reducing implication constraints]
2426
2427 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2428   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2429   where
2430     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2431         -> [Inst]       -- Irreds
2432         -> [Inst]       -- Needed givens
2433         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2434         -> [Inst]       -- Wanted
2435         -> (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2436     go binds irreds givens done [] 
2437       = (binds, irreds, givens)
2438
2439     go binds irreds givens done (w:ws)
2440       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2441       = if w_id `elem` done_ids then
2442            go binds irreds givens done ws
2443         else
2444            go (add_bind (nlHsVar done_id)) irreds givens 
2445               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2446
2447       | otherwise       -- Not yet done
2448       = case findAvailEnv avails w of
2449           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2450                      go binds irreds givens done ws
2451
2452           Just IsIrred -> go binds (w:irreds) givens done' ws
2453
2454           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) irreds givens done' (ws' ++ ws)
2455
2456           Just (Given g) -> go binds' irreds (g:givens) (addToFM done w [g_id]) ws 
2457                 where
2458                   g_id = instToId g
2459                   binds' | w_id == g_id = binds
2460                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2461       where
2462         w_id  = instToId w      
2463         done' = addToFM done w [w_id]
2464         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2465 \end{code}
2466
2467
2468 Note [No superclasses for Stop]
2469 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2470 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2471 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2472 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2473         df::Floating a
2474         dn::Num a
2475 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2476 here lest we lose sharing.
2477
2478 \begin{code}
2479 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2480 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2481   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2482   where
2483     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2484
2485 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2486 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given given)
2487         -- Always add superclasses for 'givens'
2488         --
2489         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2490         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2491         -- so the assert isn't true
2492
2493 addRefinedGiven :: Refinement -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2494 addRefinedGiven reft avails given
2495   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2496                         -- are always optional, so we can drop them
2497   , let pred = dictPred given
2498   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2499   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2500   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2501         ; let rhs = L (instSpan given) $
2502                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2503         ; addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given]) }
2504             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2505             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2506             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2507   | otherwise
2508   = return avails
2509 \end{code}
2510
2511 Note [ImplicInst rigidity]
2512 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2513 Consider
2514         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2515         
2516         ...(case x of C v -> <body>)...
2517
2518 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2519         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2520 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2521 of form
2522         forall c. <reft> => <payload>
2523 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2524 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2525 be wobbly. Hence the isRigidInst
2526
2527 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2528 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2529 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2530 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2531
2532 \begin{code}
2533 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2534 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2535                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2536
2537 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2538 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2539   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2540   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2541   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2542                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2543                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2544   where
2545     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2546                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2547     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2548     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2549
2550     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2551     -- Find all the Insts that this one depends on
2552     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2553     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2554     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2555     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2556     findAllDeps so_far other        = so_far
2557
2558     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2559     find_all so_far kid
2560       | isEqInst kid                       = so_far
2561       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2562       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2563       | otherwise                          = so_far'
2564       where
2565         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2566         kid_id = instToId kid
2567
2568 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2569         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2570         -- The first param says "don't do this because the original thing
2571         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2572         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2573
2574 addSCs is_loop avails dict
2575   = ASSERT( isDict dict )
2576     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2577         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2578   where
2579     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2580     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2581     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2582                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2583
2584     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2585       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2586       | is_given sc_dict           = return avails
2587       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2588                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2589       where
2590         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2591         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2592
2593     is_given :: Inst -> Bool
2594     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2595                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2596                           other          -> False       
2597
2598 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2599 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2600 --
2601 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2602 ancestorEqualities
2603   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2604     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2605     . bagToList 
2606     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2607     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2608     . filter isClassDict
2609   where
2610     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2611     addAEsToBag bag []           = bag
2612     addAEsToBag bag (pred:preds)
2613       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2614       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2615       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2616       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2617       where
2618         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2619         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2620         --
2621         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2622         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2623 \end{code}
2624
2625
2626 %************************************************************************
2627 %*                                                                      *
2628 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2629 %*                                                                      *
2630 %************************************************************************
2631
2632
2633 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2634 and ambiguous Insts.
2635
2636 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2637
2638         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2639
2640 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2641 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2642
2643 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2644
2645
2646 \begin{code}
2647 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2648 tcSimplifyTop wanteds
2649   = tc_simplify_top doc False wanteds
2650   where 
2651     doc = text "tcSimplifyTop"
2652
2653 tcSimplifyInteractive wanteds
2654   = tc_simplify_top doc True wanteds
2655   where 
2656     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2657
2658 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2659 -- error message generation for the monomorphism restriction
2660 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2661   = do  { dflags <- getDOpts
2662         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2663         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2664
2665         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2666         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2667 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2668         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2669         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2670         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2671
2672                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2673                 -- NB: irreds2 are already zonked
2674         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2675
2676                 -- Deal with implicit parameters
2677         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2678               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2679
2680         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2681                                 --                  f x = x + ?y
2682         ; addNoInstanceErrs others
2683         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2684
2685         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2686   where
2687     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2688     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2689     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2690 \end{code}
2691
2692 If a dictionary constrains a type variable which is
2693         * not mentioned in the environment
2694         * and not mentioned in the type of the expression
2695 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2696 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2697 parameter to a function.
2698
2699 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2700 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2701 Specifically, if
2702         * at least one of its classes is a numeric class, and
2703         * all of its classes are numeric or standard
2704 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2705 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2706
2707 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2708 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2709 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2710 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2711
2712 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2713 the same type variable.
2714
2715 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2716 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2717 the most common use of defaulting is code like:
2718 \begin{verbatim}
2719         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2720 \end{verbatim}
2721 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2722 @void@.
2723
2724 \begin{code}
2725 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2726         -- Just does unification to fix the default types
2727         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2728 disambiguate doc interactive dflags insts
2729   | null insts
2730   = return (insts, emptyBag)
2731
2732   | null defaultable_groups
2733   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2734         ; return (insts, emptyBag) }
2735
2736   | otherwise
2737   = do  {       -- Figure out what default types to use
2738           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2739
2740         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2741         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2742
2743         -- disambigGroup does unification, hence try again
2744         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2745
2746   where
2747    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2748    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2749
2750    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2751    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2752    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2753    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2754
2755         -- Finds unary type-class constraints
2756    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2757         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2758    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2759
2760                 -- Group by type variable
2761    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2762    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2763    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2764
2765    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2766    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2767         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2768         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2769         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2770    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2771
2772    defaultable_classes clss 
2773         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2774         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2775
2776         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2777         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2778    isInteractiveClass cls 
2779         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2780
2781    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2782         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2783         -- when -foverloaded-strings is enabled
2784
2785    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2786         -- Similarly is_std_class
2787
2788 -----------------------
2789 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2790               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2791               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2792
2793 disambigGroup default_tys dicts
2794   = try_default default_tys
2795   where
2796     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2797     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2798
2799     try_default [] = return ()
2800     try_default (default_ty : default_tys)
2801       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2802         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2803                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2804                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2805                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2806                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2807                 -- default list is Int.
2808
2809                 -- After this we can't fail
2810            ; warnDefault dicts default_ty
2811            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2812            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2813            }
2814
2815
2816 -----------------------
2817 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2818 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2819   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2820         ; case mb_defaults of {
2821            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2822            Nothing  -> do
2823
2824         -- No use-supplied default
2825         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2826         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2827         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2828         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2829         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2830                         -- Note [Default unitTy]
2831                         ++
2832                   [integer_ty,doubleTy]
2833                         ++
2834                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2835   where
2836     opt_deflt True  ty = [ty]
2837     opt_deflt False ty = []
2838 \end{code}
2839
2840 Note [Default unitTy]
2841 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2842 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2843 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2844 Consider: 
2845         Text.Printf.printf "hello"
2846 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2847 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2848 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2849 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2850 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2851
2852 Note [Avoiding spurious errors]
2853 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2854 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2855 type variables, and simply don't default them.  For example:
2856    f = (*)      -- Monomorphic
2857    g :: Num a => a -> a
2858    g x = f x x
2859 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2860 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2861 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2862 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2863 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2864
2865
2866 %************************************************************************
2867 %*                                                                      *
2868 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2869 %*                                                                      *
2870 %************************************************************************
2871
2872 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2873
2874 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2875 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2876 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2877
2878 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2879 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2880 instance declarations.
2881
2882 \begin{code}
2883 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2884                 -> [TyVar]      
2885                 -> ThetaType            -- Wanted
2886                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2887 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2888 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2889
2890 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2891   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2892         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2893         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2894         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2895         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2896         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2897
2898         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2899         ; addNoInstanceErrs others
2900         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2901
2902         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2903               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2904                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2905                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2906
2907         ; return simpl_theta }
2908   where
2909     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2910
2911     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2912             | otherwise   = False
2913 \end{code}
2914
2915
2916 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2917 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2918 whether it worked or not.
2919
2920 \begin{code}
2921 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2922                   -> TcM ()
2923
2924 tcSimplifyDefault theta
2925   = newDictBndrsO DefaultOrigin theta   `thenM` \ wanteds ->
2926     tryHardCheckLoop doc wanteds        `thenM` \ (irreds, _) ->
2927     addNoInstanceErrs  irreds           `thenM_`
2928     if null irreds then
2929         returnM ()
2930     else
2931         traceTc (ptext SLIT("tcSimplifyDefault failing")) >> failM
2932   where
2933     doc = ptext SLIT("default declaration")
2934 \end{code}
2935
2936
2937 %************************************************************************
2938 %*                                                                      *
2939 \section{Errors and contexts}
2940 %*                                                                      *
2941 %************************************************************************
2942
2943 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2944 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2945 now?
2946
2947 \begin{code}
2948 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2949           -> [Inst]             -- The offending Insts
2950           -> TcM ()
2951 -- Group together insts with the same origin
2952 -- We want to report them together in error messages
2953
2954 groupErrs report_err [] 
2955   = return ()
2956 groupErrs report_err (inst:insts) 
2957   = do  { do_one (inst:friends)
2958         ; groupErrs report_err others }
2959   where
2960         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2961         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2962         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2963    (friends, others) = partition is_friend insts
2964    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2965    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2966    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2967                 -- Add location and context information derived from the Insts
2968
2969 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2970 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2971 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2972
2973 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2974 addTopIPErrs bndrs [] 
2975   = return ()
2976 addTopIPErrs bndrs ips
2977   = do  { dflags <- getDOpts
2978         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2979   where
2980     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2981     mk_msg dflags ips 
2982         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2983                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2984                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2985                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2986                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2987                 monomorphism_fix dflags]
2988     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2989
2990 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2991 topIPErrs dicts
2992   = groupErrs report tidy_dicts
2993   where
2994     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2995     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2996     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2997                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2998
2999 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3000                   -> TcM ()     
3001 addNoInstanceErrs insts
3002   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3003         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3004
3005 reportNoInstances 
3006         :: TidyEnv
3007         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3008                         -- Nothing => top level
3009                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3010                         --               with givens g
3011         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3012         -> TcM ()       
3013
3014 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3015   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3016
3017 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3018   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3019        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3020              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3021              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3022        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3023                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3024        ; mapM_ complain_implic implics
3025        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3026        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3027        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3028        }
3029   where
3030     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3031
3032     complain_implic inst        -- Recurse!
3033       = reportNoInstances tidy_env 
3034                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3035                           (tci_wanted inst)
3036
3037     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3038         -- Right msg  => overlap message
3039         -- Left  inst => no instance
3040     check_overlap inst_envs wanted
3041         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3042         | otherwise
3043         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3044                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3045                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3046                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3047 #ifdef DEBUG
3048                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3049 #endif
3050                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
3051                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3052           where
3053             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3054
3055     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3056       = ASSERT( not (null matches) )
3057         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
3058                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3059                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
3060                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3061                 if not (isSingleton matches)
3062                 then    -- Two or more matches
3063                      empty
3064                 else    -- One match, plus some unifiers
3065                 ASSERT( not (null unifiers) )
3066                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
3067                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3068                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
3069                               ptext SLIT("when compiling the other instance declarations")])]
3070       where
3071         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3072
3073     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3074     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3075
3076     mk_no_inst_err insts
3077       | null insts = empty
3078
3079       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3080         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3081       = vcat [ addInstLoc insts $
3082                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3083                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3084              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3085
3086       | otherwise       -- Top level 
3087       = vcat [ addInstLoc insts $
3088                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
3089                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
3090              , show_fixes fixes2 ]
3091
3092       where
3093         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
3094                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
3095                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3096                          -- I'm not sure it helps to add the location
3097                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3098
3099         fixes2 | null instance_dicts = []
3100                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
3101                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3102         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3103                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3104                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3105
3106         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3107         show_fixes []     = empty
3108         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
3109                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
3110
3111 addTopAmbigErrs dicts
3112 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3113   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3114                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3115     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3116   where
3117     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3118
3119     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3120     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3121     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3122     
3123     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3124     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3125         = mkMonomorphismMsg tidy_env tvs        `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
3126           setSrcSpan (instSpan inst) $
3127                 -- the location of the first one will do for the err message
3128           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3129         where
3130           dicts = map fst pairs
3131           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3132                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3133                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3134           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3135     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3136
3137
3138 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3139 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3140 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3141 -- Try to identify the offending variable
3142 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3143 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3144   = do  { dflags <- getDOpts
3145         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3146         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3147   where
3148     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3149         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3150                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3151                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
3152     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3153                         -- This happens in things like
3154                         --      f x = show (read "foo")
3155                         -- where monomorphism doesn't play any role
3156     mk_msg dflags docs 
3157         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3158                 nest 2 (vcat docs),
3159                 monomorphism_fix dflags]
3160
3161 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3162 monomorphism_fix dflags
3163   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
3164         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
3165          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3166            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
3167            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
3168                         -- if it is not already set!
3169     
3170 warnDefault ups default_ty
3171   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
3172     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3173   where
3174     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3175
3176         -- Tidy them first
3177     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3178     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3179                                 quotes (ppr default_ty),
3180                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3181
3182 reduceDepthErr n stack
3183   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3184           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3185           nest 4 (pprStack stack)]
3186
3187 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3188 \end{code}