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