FIX #2688
[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, 
19
20         misMatchMsg
21     ) where
22
23 #include "HsVersions.h"
24
25 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
26 import HsSyn
27
28 import TcRnMonad
29 import TcHsSyn  ( hsLPatType )
30 import Inst
31 import TcEnv
32 import InstEnv
33 import TcType
34 import TcMType
35 import TcIface
36 import TcTyFuns
37 import DsUtils  -- Big-tuple functions
38 import Var
39 import Id
40 import Name
41 import NameSet
42 import Class
43 import FunDeps
44 import PrelInfo
45 import PrelNames
46 import Type
47 import TysWiredIn
48 import ErrUtils
49 import BasicTypes
50 import VarSet
51 import VarEnv
52 import FiniteMap
53 import Bag
54 import Outputable
55 import Maybes
56 import ListSetOps
57 import Util
58 import SrcLoc
59 import DynFlags
60 import FastString
61 import Control.Monad
62 import Data.List
63 \end{code}
64
65
66 %************************************************************************
67 %*                                                                      *
68 \subsection{NOTES}
69 %*                                                                      *
70 %************************************************************************
71
72         --------------------------------------
73         Notes on functional dependencies (a bug)
74         --------------------------------------
75
76 Consider this:
77
78         class C a b | a -> b
79         class D a b | a -> b
80
81         instance D a b => C a b -- Undecidable 
82                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
83         f :: C a b => a -> Bool
84         f _ = True
85         
86         g :: C a b => a -> Bool
87         g = f
88
89 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
90 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
91
92 Here is a more complicated example:
93
94 @
95   > class Foo a b | a->b
96   >
97   > class Bar a b | a->b
98   >
99   > data Obj = Obj
100   >
101   > instance Bar Obj Obj
102   >
103   > instance (Bar a b) => Foo a b
104   >
105   > foo:: (Foo a b) => a -> String
106   > foo _ = "works"
107   >
108   > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
109   > runFoo f = f Obj
110
111   *Test> runFoo foo
112
113   <interactive>:1:
114       Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
115         arising from use of `foo' at <interactive>:1
116       Probable fix:
117           Add (Bar a b) to the expected type of an expression
118       In the first argument of `runFoo', namely `foo'
119       In the definition of `it': it = runFoo foo
120
121   Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
122   function foo didn't ask for that...
123 @
124
125 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
126
127         Given constraint        Foo a b
128         Solve constraint        Foo a b'
129
130 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
131 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
132         simplify constraints
133         apply improvement
134         and loop
135
136 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
137 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
138 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
139 from.
140
141 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
142 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
143
144 Note [Choosing which variables to quantify]
145 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
146 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
147
148         G       the environment
149         T       the type of the RHS
150         C       the constraints from that RHS
151
152 The game is to figure out
153
154         Q       the set of type variables over which to quantify
155         Ct      the constraints we will *not* quantify over
156         Cq      the constraints we will quantify over
157
158 So we're going to infer the type
159
160         forall Q. Cq => T
161
162 and float the constraints Ct further outwards.
163
164 Here are the things that *must* be true:
165
166  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
167  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
168
169  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
170  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
171      we won't get a sufficiently general type.  
172
173 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
174 free vars of the environment G.
175
176         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
177
178 Example:        class H x y | x->y where ...
179
180         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
181                         T = c -> b
182
183         (A)  Q intersect {a} is empty
184         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
185
186         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
187
188 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
189 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
190 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
191 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
192
193 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
194 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
195 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
196 choose Q:
197
198         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
199
200 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
201 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
202 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
203 albeit perhaps too many.
204
205 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
206
207         class H x y | x->y where ...
208
209         T = c->c
210         C = (H c d)
211
212   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
213
214         forall c. H c d => c -> b
215
216   And then if the fn was called at several different c's, each of
217   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
218   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
219   everything that might be influenced by c.
220
221 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
222 all the functional dependencies yet:
223
224         class H x y | x->y where ...
225         instance H x y => Eq (T x y) where ...
226
227         T = c->c
228         C = (Eq (T c d))
229
230 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
231 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
232
233 There really isn't any point in quantifying over any more than
234 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
235 any other type variables.
236
237
238
239 -------------------------------------
240         Note [Ambiguity]
241 -------------------------------------
242
243 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
244
245         class K x
246         class H x y | x -> y
247         instance H x y => K (x,y)
248
249 Is this type ambiguous?
250         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
251
252 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
253 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
254 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
255 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
256
257 Here's another example: is this ambiguous?
258         forall a b. Eq (T b) => a -> a
259 Not if there's an insance decl (with no context)
260         instance Eq (T b) where ...
261
262 You may say of this example that we should use the instance decl right
263 away, but you can't always do that:
264
265         class J a b where ...
266         instance J Int b where ...
267
268         f :: forall a b. J a b => a -> a
269
270 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
271 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
272 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
273 when inferring a type for f.
274
275
276
277 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
278 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
279 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
280
281 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
282
283         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
284
285 (all tested before quantification).
286 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
287 in the environment, or by the variables in the type.
288
289 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
290
291         class J a b c | a b -> c
292         fv(G) = {a}
293
294 Is this ambiguous?
295         forall b c. (J a b c) => b -> b
296
297 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
298 do we see that c is fixed.
299
300 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
301 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
302 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
303 only issue a warning.
304
305
306 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
307
308         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
309
310 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
311 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
312 the nasty example?
313
314         class K x
315         class H x y | x -> y
316         instance H x y => K (x,y)
317
318 Is this type ambiguous?
319         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
320
321 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
322 is a "bubble" that's a set of constraints
323
324         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
325
326 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
327 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
328 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
329 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
330 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
331
332
333         --------------------------------------
334                 Notes on principal types
335         --------------------------------------
336
337     class C a where
338       op :: a -> a
339
340     f x = let g y = op (y::Int) in True
341
342 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
343 but we'll produce the non-principal type
344     f :: forall a. C Int => a -> a
345
346
347         --------------------------------------
348         The need for forall's in constraints
349         --------------------------------------
350
351 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
352
353   class C t where op :: t -> Bool
354   instance C [t] where op x = True
355
356   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
357   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
358
359 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
360 the pair on their right-hand sides.  And yet:
361
362   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
363   Hugs rejects q, but accepts p;
364   hbc rejects both p and q;
365   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
366
367 The type signature for f forces context reduction to take place, and
368 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
369 which in turn depends on which component of the pair the type checker
370 analyzes first.  
371
372 Solution: if y::m a, float out the constraints
373         Monad m, forall c. C (m c)
374 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
375
376
377         --------------------------------------
378                 Notes on implicit parameters
379         --------------------------------------
380
381 Note [Inheriting implicit parameters]
382 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
383 Consider this:
384
385         f x = (x::Int) + ?y
386
387 where f is *not* a top-level binding.
388 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
389 There are two types we might infer for f:
390
391         f :: Int -> Int
392
393 (so we get ?y from the context of f's definition), or
394
395         f :: (?y::Int) => Int -> Int
396
397 At first you might think the first was better, becuase then
398 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
399 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
400 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
401 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
402
403 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
404 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
405
406
407 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
408 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
409 Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
410 An *implicit parameter* cannot.  For example:
411         foo :: (?x :: [a]) => Int
412         foo = length ?x
413 is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
414
415 Furthermore, the type variables fixed by an implicit parameter
416 propagate to the others.  E.g.
417         foo :: (Show a, ?x::[a]) => Int
418         foo = show (?x++?x)
419 The type of foo looks ambiguous.  But it isn't, because at a call site
420 we might have
421         let ?x = 5::Int in foo
422 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
423 so we can take their type variables into account as part of the
424 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
425
426
427 Question 2: type signatures
428 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
429 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
430 to quantify over implicit parameters.  For example:
431
432         (?x + 1) :: Int
433
434 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
435
436         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
437
438 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
439 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
440 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
441 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
442
443 What about when you supply a type signature for a binding?
444 Is it legal to give the following explicit, user type 
445 signature to f, thus:
446
447         f :: Int -> Int
448         f x = (x::Int) + ?y
449
450 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
451 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
452 Consider this:
453
454         (let f x = (x::Int) + ?y
455          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
456
457                 returns (3+6, 3+5)
458 vs
459         (let f :: Int -> Int
460              f x = x + ?y
461          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
462
463                 returns (3+6, 3+6)
464
465 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
466 dynamic semantics.
467
468 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
469 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
470 change the typing you may change the semantics.
471
472 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
473 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
474 rule: 
475
476         a signature does not need to quantify over implicit params.
477
478 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
479 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
480 params for the reasons mentioned above.]
481
482 But that raises a new question.  Consider 
483
484         Given (signature)       ?x::Int
485         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
486
487 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
488 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
489 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
490 to float a constraint that
491         neither mentions any of the quantified type variables
492         nor any of the quantified implicit parameters
493
494 See the predicate isFreeWhenChecking.
495
496
497 Question 3: monomorphism
498 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
499 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
500
501         z = (x::Int) + ?y
502
503 The argument above suggests that we *must* generalise
504 over the ?y parameter, to get
505         z :: (?y::Int) => Int,
506 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
507         z :: Int.
508 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
509
510         let z = x + ?y in z+z
511
512 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
513 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
514
515
516 Question 4: top level
517 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
518 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
519
520     module Main where
521         main = let ?x = 5 in print foo
522
523         foo = woggle 3
524
525         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
526         woggle y = ?x + y
527
528 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
529 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
530
531
532 Possible choices
533 ~~~~~~~~~~~~~~~~
534 (A) Always generalise over implicit parameters
535     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
536         be generalised
537
538     Consequences:
539         * Inlining remains valid
540         * No unexpected loss of sharing
541         * But simple bindings like
542                 z = ?y + 1
543           will be rejected, unless you add an explicit type signature
544           (to avoid the monomorphism restriction)
545                 z :: (?y::Int) => Int
546                 z = ?y + 1
547           This seems unacceptable
548
549 (B) Monomorphism restriction "wins"
550     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
551         be generalised
552     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
553         that fall under the monomorphism restriction
554
555     Consequences
556         * Inlining isn't valid in general
557         * No unexpected loss of sharing
558         * Simple bindings like
559                 z = ?y + 1
560           accepted (get value of ?y from binding site)
561
562 (C) Always generalise over implicit parameters
563     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
564         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
565     Consequences
566         * Inlining remains valid
567         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
568         * Simple bindings like
569                 z = ?y + 1
570           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
571
572
573 Discussion
574 ~~~~~~~~~~
575 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
576 decide which we want to do.
577
578 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
579
580         z = (x::Int) + ?y
581
582 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
583 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
584 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
585 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
586 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
587 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
588
589 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
590 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
591 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
592 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
593 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
594 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
595 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
596 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
597 restriction altogether.
598
599 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
600
601
602
603 %************************************************************************
604 %*                                                                      *
605 \subsection{tcSimplifyInfer}
606 %*                                                                      *
607 %************************************************************************
608
609 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
610
611     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
612
613     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
614        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
615
616     3. Try improvement, using functional dependencies
617
618     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
619        (Unification can change the result of 'grow'.)
620
621 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
622 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
623 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
624 type variables than we absolutely have to.
625
626 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
627 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
628
629         class C x y | x->y where ...
630
631 and tcSimplify is called with:
632         (C Int a, C Int b)
633 Then improvement unifies a with b, giving
634         (C Int a, C Int a)
635
636 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
637 again.
638
639
640 \begin{code}
641 tcSimplifyInfer
642         :: SDoc
643         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
644         -> [Inst]               -- Wanted
645         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
646                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
647                 TcDictBinds)    -- Bindings
648         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
649 \end{code}
650
651
652 \begin{code}
653 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
654   = do  { tau_tvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
655         ; wanted'  <- mapM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
656         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
657         ; let preds1   = fdPredsOfInsts wanted'
658               gbl_tvs1 = oclose preds1 gbl_tvs
659               qtvs     = grow preds1 tau_tvs1 `minusVarSet` gbl_tvs1
660                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
661
662                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
663                 -- constraints that don't mention qtvs at all
664         ; let (free, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
665         ; extendLIEs free
666
667                 -- To make types simple, reduce as much as possible
668         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds1 $$ ppr (grow preds1 tau_tvs1) $$ ppr gbl_tvs $$ 
669                    ppr gbl_tvs1 $$ ppr free $$ ppr bound))
670         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
671
672                 -- Note [Inference and implication constraints]
673         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
674         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
675
676                 -- Now work out all over again which type variables to quantify,
677                 -- exactly in the same way as before, but starting from irreds2.  Why?
678                 -- a) By now improvment may have taken place, and we must *not*
679                 --    quantify over any variable free in the environment
680                 --    tc137 (function h inside g) is an example
681                 --
682                 -- b) Do not quantify over constraints that *now* do not
683                 --    mention quantified type variables, because they are
684                 --    simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
685                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
686                 --      g x = fst (f x)
687                 --    From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
688                 --    We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
689                 --    because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
690                 --    constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
691                 --    See test tcfail181
692                 --
693                 -- c) irreds may contain type variables not previously mentioned,
694                 --    e.g.  instance D a x => Foo [a] 
695                 --          wanteds = Foo [a]
696                 --       Then after simplifying we'll get (D a x), and x is fresh
697                 --       We must quantify over x else it'll be totally unbound
698         ; tau_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs1)
699         ; gbl_tvs2 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems gbl_tvs1)
700                 -- Note that we start from gbl_tvs1
701                 -- We use tcGetGlobalTyVars, then oclose wrt preds2, because
702                 -- we've already put some of the original preds1 into frees
703                 -- E.g.         wanteds = C a b   (where a->b)
704                 --              gbl_tvs = {a}
705                 --              tau_tvs = {b}
706                 -- Then b is fixed by gbl_tvs, so (C a b) will be in free, and
707                 -- irreds2 will be empty.  But we don't want to generalise over b!
708         ; let preds2 = fdPredsOfInsts irreds2   -- irreds2 is zonked
709               qtvs   = grow preds2 tau_tvs2 `minusVarSet` oclose preds2 gbl_tvs2
710         ; let (free, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) irreds2
711         ; extendLIEs free
712
713                 -- Turn the quantified meta-type variables into real type variables
714         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
715
716                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
717                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
718         ; let (q_dicts0, implics) = partition isAbstractableInst irreds3
719         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
720         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts0 implics
721
722                 -- Prepare equality instances for quantification
723         ; let (q_eqs0,q_dicts) = partition isEqInst q_dicts0
724         ; q_eqs <- mapM finalizeEqInst q_eqs0
725
726         ; return (qtvs2, q_eqs ++ q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
727         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
728         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
729
730 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
731 -- Note [Inference and implication constraints]
732 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
733 --      - fetching any dicts inside them that are free
734 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
735 --      - returning the extra ones too
736
737 approximateImplications doc want_dict irreds
738   | null extra_dicts 
739   = return (irreds, emptyBag)
740   | otherwise
741   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
742         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
743                 -- By adding extra_dicts', we make them 
744                 -- available to solve the implication constraints
745   where 
746     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
747
748     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
749         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
750         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
751     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
752
753     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
754                          | otherwise   = []
755     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
756         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
757               , d <- get_dicts wanteds 
758               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
759     get_dict i@(EqInst {}) | want_dict i = [i]
760                            | otherwise   = [] 
761     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
762 \end{code}
763
764 Note [Inference and implication constraints]
765 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
766 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
767 a nested pattern match) like
768         C a => D [a]
769 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
770 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
771         instance (C a, E a) => D [a]
772 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
773 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
774 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
775 with 'given' implications.
776
777 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
778 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
779 the strange function get_dicts in approximateImplications.
780
781 The common cases are more clear-cut, when we have things like
782         forall a. C a => C b
783 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
784 Note [Freeness and implications].
785  
786 See Trac #1430 and test tc228.
787
788
789 \begin{code}
790 -----------------------------------------------------------
791 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
792 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
793 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
794 tcSimplifyInferCheck
795          :: InstLoc
796          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
797          -> [Inst]              -- Given
798          -> [Inst]              -- Wanted
799          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
800                  TcDictBinds)   -- Bindings
801
802 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
803   = do  { traceTc (text "tcSimplifyInferCheck <-" <+> ppr wanteds)
804         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
805
806         -- Figure out which type variables to quantify over
807         -- You might think it should just be the signature tyvars,
808         -- but in bizarre cases you can get extra ones
809         --      f :: forall a. Num a => a -> a
810         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
811         --      g a b = (b,a)
812         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
813         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
814         -- f isn't quantified over b.
815         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
816         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
817         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
818         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
819                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
820                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
821                 -- dictionaries, we quantify over
822
823         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
824
825                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
826         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
827
828         ; traceTc (text "tcSimplifyInferCheck ->" <+> ppr (implic_bind))
829         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
830 \end{code}
831
832 Note [Squashing methods]
833 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
834 Be careful if you want to float methods more:
835         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
836 From an application (truncate f i) we get
837         t1 = truncate at f
838         t2 = t1 at i
839 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
840         t3 = truncate at f
841         t4 = t3 at i
842 When simplifying with i,f free, we might still notice that
843 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
844 may continue to float out!
845
846
847 Note [NO TYVARS]
848 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
849         class Y a b | a -> b where
850             y :: a -> X b
851         
852         instance Y [[a]] a where
853             y ((x:_):_) = X x
854         
855         k :: X a -> X a -> X a
856
857         g :: Num a => [X a] -> [X a]
858         g xs = h xs
859             where
860             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
861
862 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
863 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
864 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
865 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
866 polymorphic in.  
867
868 The net effect of [NO TYVARS] 
869
870 \begin{code}
871 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
872 isFreeWhenInferring qtvs inst
873   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
874   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
875                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
876
877 {-      No longer used (with implication constraints)
878 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
879                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
880                    -> Inst -> Bool
881 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
882   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
883   && isFreeWrtIPs    ips inst
884 -}
885
886 isFreeWrtTyVars :: VarSet -> Inst -> Bool
887 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
888 isFreeWrtIPs :: NameSet -> Inst -> Bool
889 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
890 \end{code}
891
892
893 %************************************************************************
894 %*                                                                      *
895 \subsection{tcSimplifyCheck}
896 %*                                                                      *
897 %************************************************************************
898
899 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
900 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
901
902 \begin{code}
903 -----------------------------------------------------------
904 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
905 -- class decls, instance decls etc.
906 tcSimplifyCheck :: InstLoc
907                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
908                 -> [Inst]               -- Given
909                 -> [Inst]               -- Wanted
910                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
911 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
912   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
913     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheck")
914         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
915         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
916         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
917
918 -----------------------------------------------------------
919 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
920 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
921                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
922                    -> [Inst]            -- Given
923                    -> [Inst]            -- Wanted
924                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
925 tcSimplifyCheckPat loc qtvs givens wanteds
926   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
927     do  { traceTc (text "tcSimplifyCheckPat")
928         ; (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
929         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs givens irreds
930         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
931
932 -----------------------------------------------------------
933 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
934            -> [Inst] -> [Inst]
935            -> TcM TcDictBinds
936 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
937   = bindIrredsR loc qtvs givens irreds
938
939 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [Inst] -> [Inst] -> TcM TcDictBinds      
940 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
941 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
942 bindIrredsR loc qtvs givens irreds
943   | null irreds
944   = return emptyBag
945   | otherwise
946   = do  { let givens' = filter isAbstractableInst givens
947                 -- The givens can (redundantly) include methods
948                 -- We want to retain both EqInsts and Dicts
949                 -- There should be no implicadtion constraints
950                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
951
952            -- If there are no 'givens', then it's safe to 
953            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
954            -- See Note [Freeness and implications]
955         ; irreds' <- if null givens'
956                      then do
957                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
958                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
959                         ; extendLIEs frees
960                         ; return real_irreds }
961                      else return irreds
962         
963         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc qtvs givens' irreds'
964                         -- This call does the real work
965                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
966         ; extendLIEs implics
967         ; return bind } 
968
969
970 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar]
971                     -> [Inst] -> [Inst]
972                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
973 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
974 -- constraint for them.
975 --
976 -- The binding looks like
977 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
978 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
979 --      f :: forall qtvs. givens => (ir1, .., irn)
980 -- qtvs includes coercion variables.
981 --
982 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
983 makeImplicationBind loc all_tvs
984                     givens      -- Guaranteed all Dicts or EqInsts
985                     irreds
986  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
987  = return ([], emptyBag)
988  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
989  = do   { uniq <- newUnique 
990         ; span <- getSrcSpanM
991         ; let (eq_givens, dict_givens) = partition isEqInst givens
992
993                 -- extract equality binders
994               eq_cotvs = map eqInstType eq_givens
995
996                 -- make the implication constraint instance
997               name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
998               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name,
999                                          tci_tyvars = all_tvs, 
1000                                          tci_given = (eq_givens ++ dict_givens),
1001                                                        -- same order as binders
1002                                          tci_wanted = irreds, 
1003                                          tci_loc = loc }
1004
1005                 -- create binders for the irreducible dictionaries
1006               dict_irreds    = filter (not . isEqInst) irreds
1007               dict_irred_ids = map instToId dict_irreds
1008               lpat = mkBigLHsPatTup (map (L span . VarPat) dict_irred_ids)
1009
1010                 -- create the binding
1011               rhs  = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
1012               co   =     mkWpApps (map instToId dict_givens)
1013                      <.> mkWpTyApps eq_cotvs
1014                      <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
1015               bind | [dict_irred_id] <- dict_irred_ids  
1016                    = VarBind dict_irred_id rhs
1017                    | otherwise        
1018                    = PatBind { pat_lhs = lpat
1019                              , pat_rhs = unguardedGRHSs rhs 
1020                              , pat_rhs_ty = hsLPatType lpat
1021                              , bind_fvs = placeHolderNames 
1022                              }
1023
1024         ; traceTc $ text "makeImplicationBind" <+> ppr implic_inst
1025         ; return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) 
1026         }
1027
1028 -----------------------------------------------------------
1029 tryHardCheckLoop :: SDoc
1030              -> [Inst]                  -- Wanted
1031              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1032
1033 tryHardCheckLoop doc wanteds
1034   = do { (irreds,binds) <- checkLoop (mkInferRedEnv doc try_me) wanteds
1035        ; return (irreds,binds)
1036        }
1037   where
1038     try_me _ = ReduceMe
1039         -- Here's the try-hard bit
1040
1041 -----------------------------------------------------------
1042 gentleCheckLoop :: InstLoc
1043                -> [Inst]                -- Given
1044                -> [Inst]                -- Wanted
1045                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1046
1047 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
1048   = do { (irreds,binds) <- checkLoop env wanteds
1049        ; return (irreds,binds)
1050        }
1051   where
1052     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
1053
1054     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1055                 | otherwise          = Stop
1056         -- When checking against a given signature 
1057         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
1058
1059 gentleInferLoop :: SDoc -> [Inst]
1060                 -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1061 gentleInferLoop doc wanteds
1062   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env wanteds
1063         ; return (irreds, binds) }
1064   where
1065     env = mkInferRedEnv doc try_me
1066     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1067                 | otherwise          = Stop
1068 \end{code}
1069
1070 Note [Check gently]
1071 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1072 We have to very careful about not simplifying too vigorously
1073 Example:  
1074   data T a where
1075     MkT :: a -> T [a]
1076
1077   f :: Show b => T b -> b
1078   f (MkT x) = show [x]
1079
1080 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1081         b ~ [a]
1082 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1083 need it.  We are going to build an implication contraint
1084         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1085 Later, we will solve this constraint using the knowledge (Show b)
1086         
1087 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1088 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1089 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1090 work until top level, when we solve the implication constraint
1091 with tryHardCheckLooop.
1092
1093
1094 \begin{code}
1095 -----------------------------------------------------------
1096 checkLoop :: RedEnv
1097           -> [Inst]                     -- Wanted
1098           -> TcM ([Inst], TcDictBinds) 
1099 -- Precondition: givens are completely rigid
1100 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1101
1102 checkLoop env wanteds
1103   = go env wanteds
1104   where go env wanteds
1105           = do  {  -- We do need to zonk the givens; cf Note [Zonking RedEnv]
1106                 ; env'     <- zonkRedEnv env
1107                 ; wanteds' <- zonkInsts  wanteds
1108         
1109                 ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env' wanteds'
1110
1111                 ; if null irreds || not improved then
1112                     return (irreds, binds)
1113                   else do
1114         
1115                 -- If improvement did some unification, we go round again.
1116                 -- We start again with irreds, not wanteds
1117                 -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1118                 -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1119                 -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1120                 -- See Note [LOOP]
1121                 { (irreds1, binds1) <- go env' irreds
1122                 ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1123 \end{code}
1124
1125 Note [Zonking RedEnv]
1126 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1127 It might appear as if the givens in RedEnv are always rigid, but that is not
1128 necessarily the case for programs involving higher-rank types that have class
1129 contexts constraining the higher-rank variables.  An example from tc237 in the
1130 testsuite is
1131
1132   class Modular s a | s -> a
1133
1134   wim ::  forall a w. Integral a 
1135                         => a -> (forall s. Modular s a => M s w) -> w
1136   wim i k = error "urk"
1137
1138   test5  ::  (Modular s a, Integral a) => M s a
1139   test5  =   error "urk"
1140
1141   test4   =   wim 4 test4'
1142
1143 Notice how the variable 'a' of (Modular s a) in the rank-2 type of wim is
1144 quantified further outside.  When type checking test4, we have to check
1145 whether the signature of test5 is an instance of 
1146
1147   (forall s. Modular s a => M s w)
1148
1149 Consequently, we will get (Modular s t_a), where t_a is a TauTv into the
1150 givens. 
1151
1152 Given the FD of Modular in this example, class improvement will instantiate
1153 t_a to 'a', where 'a' is the skolem from test5's signatures (due to the
1154 Modular s a predicate in that signature).  If we don't zonk (Modular s t_a) in
1155 the givens, we will get into a loop as improveOne uses the unification engine
1156 Unify.tcUnifyTys, which doesn't know about mutable type variables.
1157
1158
1159 Note [LOOP]
1160 ~~~~~~~~~~~
1161         class If b t e r | b t e -> r
1162         instance If T t e t
1163         instance If F t e e
1164         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1165         instance Lte Z b T
1166         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1167
1168 Wanted: Max Z (S x) y
1169
1170 Then we'll reduce using the Max instance to:
1171         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1172 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1173 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1174 with (Max Z (S x) y)!
1175
1176
1177
1178 %************************************************************************
1179 %*                                                                      *
1180                 tcSimplifySuperClasses
1181 %*                                                                      *
1182 %************************************************************************
1183
1184 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1185 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1186 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1187 accidentally build a loop. Here's an example:
1188
1189   class S a
1190
1191   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1192   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1193   
1194   instance C Int where
1195      opc = opd
1196   
1197   instance D Int where
1198      opd = opc
1199
1200 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1201 Simplifying, we may well get:
1202         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1203         dd  = $dfDInt
1204         ds1 = $p1 dd
1205 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1206
1207 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1208
1209         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1210         dc  = $dfCInt
1211         ds2 = $p1 dc
1212
1213 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1214 Two more nasty cases are in
1215         tcrun021
1216         tcrun033
1217
1218 Solution: 
1219   - Satisfy the superclass context *all by itself* 
1220     (tcSimplifySuperClasses)
1221   - And do so completely; i.e. no left-over constraints
1222     to mix with the constraints arising from method declarations
1223
1224
1225 Note [Recursive instances and superclases]
1226 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1227 Consider this code, which arises in the context of "Scrap Your 
1228 Boilerplate with Class".  
1229
1230     class Sat a
1231     class Data ctx a
1232     instance  Sat (ctx Char)             => Data ctx Char
1233     instance (Sat (ctx [a]), Data ctx a) => Data ctx [a]
1234
1235     class Data Maybe a => Foo a
1236
1237     instance Foo t => Sat (Maybe t)
1238
1239     instance Data Maybe a => Foo a
1240     instance Foo a        => Foo [a]
1241     instance                 Foo [Char]
1242
1243 In the instance for Foo [a], when generating evidence for the superclasses
1244 (ie in tcSimplifySuperClasses) we need a superclass (Data Maybe [a]).
1245 Using the instance for Data, we therefore need
1246         (Sat (Maybe [a], Data Maybe a)
1247 But we are given (Foo a), and hence its superclass (Data Maybe a).
1248 So that leaves (Sat (Maybe [a])).  Using the instance for Sat means
1249 we need (Foo [a]).  And that is the very dictionary we are bulding
1250 an instance for!  So we must put that in the "givens".  So in this
1251 case we have
1252         Given:  Foo a, Foo [a]
1253         Watend: Data Maybe [a]
1254
1255 BUT we must *not not not* put the *superclasses* of (Foo [a]) in
1256 the givens, which is what 'addGiven' would normally do. Why? Because
1257 (Data Maybe [a]) is the superclass, so we'd "satisfy" the wanted 
1258 by selecting a superclass from Foo [a], which simply makes a loop.
1259
1260 On the other hand we *must* put the superclasses of (Foo a) in
1261 the givens, as you can see from the derivation described above.
1262
1263 Conclusion: in the very special case of tcSimplifySuperClasses
1264 we have one 'given' (namely the "this" dictionary) whose superclasses
1265 must not be added to 'givens' by addGiven.  That is the *whole* reason
1266 for the red_given_scs field in RedEnv, and the function argument to
1267 addGiven.
1268
1269 \begin{code}
1270 tcSimplifySuperClasses
1271         :: InstLoc 
1272         -> Inst         -- The dict whose superclasses 
1273                         -- are being figured out
1274         -> [Inst]       -- Given 
1275         -> [Inst]       -- Wanted
1276         -> TcM TcDictBinds
1277 tcSimplifySuperClasses loc this givens sc_wanteds
1278   = do  { traceTc (text "tcSimplifySuperClasses")
1279         ; (irreds,binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1280         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1281         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1282         ; return binds1 }
1283   where
1284     env =  RedEnv { red_doc = pprInstLoc loc, 
1285                     red_try_me = try_me,
1286                     red_givens = this:givens, 
1287                     red_given_scs = add_scs,
1288                     red_stack = (0,[]),
1289                     red_improve = False }  -- No unification vars
1290     add_scs g | g==this   = NoSCs
1291               | otherwise = AddSCs
1292
1293     try_me _ = ReduceMe  -- Try hard, so we completely solve the superclass 
1294                          -- constraints right here. See Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1295 \end{code}
1296
1297
1298 %************************************************************************
1299 %*                                                                      *
1300 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1301 %*                                                                      *
1302 %************************************************************************
1303
1304 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1305 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1306
1307 Eg1:    id = \x -> x
1308         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1309         
1310 Eg2:    eq = (==)
1311         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1312         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1313
1314 So, assume:
1315         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1316         RHS has constraints 'wanteds'
1317
1318 Plan A (simple)
1319   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1320   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1321   where we have         instance Monad (ST s) where...
1322   so there's no need to be monomorphic in s!
1323
1324   Also the constraint might be a method constraint,
1325   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1326           op :: Num a => a -> b -> a
1327   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1328         foo = op (3::Int)
1329   We want to infer the polymorphic type
1330         foo :: forall b. b -> b
1331
1332
1333 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1334   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1335   with Plan A's problem).  Then set
1336         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1337
1338   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1339   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1340   The reasons for this is to maximise sharing.
1341
1342   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1343   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1344   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1345   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1346   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1347   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1348   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1349
1350   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1351   the problem.
1352
1353
1354 Plan C (brutal)
1355   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1356   with Plan A's problem).  Then set
1357         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1358   Return the bindings from Step 1.
1359   
1360
1361 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1362 Consider this:
1363
1364       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1365
1366       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1367
1368       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1369       doDecodeIO codedValue view  
1370         = let { act = foo "foo" } in  act
1371
1372 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1373 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1374 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1375 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1376
1377 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1378 plan D
1379
1380
1381 Plan D (a variant of plan B)
1382   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1383   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1384         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1385
1386   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1387   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1388
1389   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1390   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1391   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1392   can always add a signature.  
1393
1394   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1395   improvement.
1396
1397
1398 \begin{code}
1399 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1400                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1401         :: SDoc
1402         -> TopLevelFlag
1403         -> [Name]               -- Things bound in this group
1404         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1405         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1406         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1407                 TcDictBinds)    -- Bindings
1408         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1409         -- quantify over; by definition there are none.
1410         -- They are all thrown back in the LIE
1411
1412 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1413         -- Zonk everything in sight
1414   = do  { traceTc (text "tcSimplifyRestricted")
1415         ; wanteds' <- zonkInsts wanteds
1416
1417         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1418         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1419         -- variables as possible, and we don't want to stop
1420         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1421         -- immediately, with no constraint on s.
1422         --
1423         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1424         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1425         --          a method Inst with an equality constraint
1426         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\_ -> ReduceMe)
1427         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds'
1428
1429         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1430         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1431         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1432         ; constrained_dicts' <- zonkInsts constrained_dicts
1433
1434         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1435                                 -- As in tcSimplifyInfer
1436
1437                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1438                 -- this is the monomorphism restriction
1439               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1440               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1441               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1442
1443         -- Warn in the mono
1444         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1445         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1446                  (vcat[ ptext (sLit "the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1447                                 <> plural bndrs <+> ptext (sLit "for") <+> pp_bndrs,
1448                         ptext (sLit "Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1449
1450         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1451                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1452                 ppr _binds,
1453                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1454
1455         -- The first step may have squashed more methods than
1456         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1457         -- set of type variables to quantify over.
1458         --
1459         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1460         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1461         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1462         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1463         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1464         --
1465         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1466         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1467         -- just to float all constraints
1468         --
1469         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1470         -- expose implicit parameters to the test that follows
1471         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1472               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1473                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1474                           | otherwise                       = ReduceMe 
1475               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1476         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1477
1478         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1479         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1480           if is_nested_group then
1481                 extendLIEs irreds
1482           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1483                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1484                   ; extendLIEs non_ips }
1485
1486         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1487         ; return (qtvs', binds) }
1488 \end{code}
1489
1490
1491 %************************************************************************
1492 %*                                                                      *
1493                 tcSimplifyRuleLhs
1494 %*                                                                      *
1495 %************************************************************************
1496
1497 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1498 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1499 as the available stuff for the RHS of the rule.
1500
1501 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1502         
1503         f (x == y) (y > z) = ...
1504
1505 If we typecheck this expression we get constraints
1506
1507         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1508
1509 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1510
1511         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1512           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1513
1514 Instead we want 
1515
1516         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1517           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1518
1519 Here is another example:
1520
1521         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1522         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1523
1524 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1525 we *dont* want to get
1526
1527         forall dIntegralInt.
1528            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1529
1530 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1531
1532         forall dIntegralInt, dNumInt.
1533           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1534
1535 Even if we have 
1536
1537         g (x == y) (y == z) = ..
1538
1539 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1540
1541         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1542           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1543
1544 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1545 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1546
1547 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1548 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1549 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc.
1550 Simpler, maybe, but alas not simple (see Trac #2494)
1551
1552 * Type errors may give rise to an (unsatisfiable) equality constraint
1553
1554 * Applications of a higher-rank function on the LHS may give
1555   rise to an implication constraint, esp if there are unsatisfiable
1556   equality constraints inside.
1557
1558 \begin{code}
1559 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1560 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1561   = do  { wanteds' <- zonkInsts wanteds
1562         ; (irreds, binds) <- go [] emptyBag wanteds'
1563         ; let (dicts, bad_irreds) = partition isDict irreds
1564         ; traceTc (text "tcSimplifyrulelhs" <+> pprInsts bad_irreds)
1565         ; addNoInstanceErrs (nub bad_irreds)
1566                 -- The nub removes duplicates, which has
1567                 -- not happened otherwise (see notes above)
1568         ; return (dicts, binds) }
1569   where
1570     go :: [Inst] -> TcDictBinds -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1571     go irreds binds []
1572         = return (irreds, binds)
1573     go irreds binds (w:ws)
1574         | isDict w
1575         = go (w:irreds) binds ws
1576         | isImplicInst w        -- Have a go at reducing the implication
1577         = do { (binds1, irreds1) <- reduceImplication red_env w
1578              ; let (bad_irreds, ok_irreds) = partition isImplicInst irreds1
1579              ; go (bad_irreds ++ irreds) 
1580                   (binds `unionBags` binds1) 
1581                   (ok_irreds ++ ws)}
1582         | otherwise
1583         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1584                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1585              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1586              ; case lookup_result of
1587                  NoInstance      -> go (w:irreds) binds ws
1588                  GenInst ws' rhs -> go irreds binds' (ws' ++ ws)
1589                         where
1590                           binds' = addInstToDictBind binds w rhs
1591           }
1592
1593         -- Sigh: we need to reduce inside implications
1594     red_env = mkInferRedEnv doc try_me
1595     doc = ptext (sLit "Implication constraint in RULE lhs")
1596     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe
1597                 | otherwise          = Stop     -- Be gentle
1598 \end{code}
1599
1600 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1601 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1602 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1603 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1604 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1605 this bracket again at its usage site.
1606
1607 \begin{code}
1608 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1609 tcSimplifyBracket wanteds
1610   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1611         ; return () }
1612   where
1613     doc = text "tcSimplifyBracket"
1614 \end{code}
1615
1616
1617 %************************************************************************
1618 %*                                                                      *
1619 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1620 %*                                                                      *
1621 %************************************************************************
1622
1623 When we have
1624         let ?x = R in B
1625
1626 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1627 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1628
1629 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1630
1631         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1632         let ?x = 3 in f 'c'
1633
1634 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1635 force the binding for ?x to be of type Int.
1636
1637 \begin{code}
1638 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1639               -> [Inst]         -- Wanted
1640               -> TcM TcDictBinds
1641         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1642         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1643         --      let ?x = e in ?x
1644         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1645         -- makes them the same.
1646
1647 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1648   = do  { wanteds'   <- zonkInsts wanteds
1649         ; given_ips' <- zonkInsts given_ips
1650                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1651
1652         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1653         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1654
1655         ; if null irreds || not improved then 
1656                 ASSERT( all is_free irreds )
1657                 do { extendLIEs irreds
1658                    ; return binds }
1659           else do
1660         -- If improvement did some unification, we go round again.
1661         -- We start again with irreds, not wanteds
1662         -- Using an instance decl might have introduced a fresh type
1663         -- variable which might have been unified, so we'd get an 
1664         -- infinite loop if we started again with wanteds!  
1665         -- See Note [LOOP]
1666         { binds1 <- tcSimplifyIPs given_ips' irreds
1667         ; return $ binds `unionBags` binds1
1668         } }
1669   where
1670     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1671     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1672     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1673
1674         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1675     try_me inst | is_free inst = Stop
1676                 | otherwise    = ReduceMe
1677 \end{code}
1678
1679
1680 %************************************************************************
1681 %*                                                                      *
1682 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1683 %*                                                                      *
1684 %************************************************************************
1685
1686 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1687 For example, we might have...
1688 \begin{verbatim}
1689 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1690     f.1 = f Int     -- two instances of f
1691     f.2 = f Float
1692  in
1693     (f.1 5, f.2 6.7)
1694 \end{verbatim}
1695 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1696 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1697 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1698 there, they would have unresolvable references to @f@.
1699
1700 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1701 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1702 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1703 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1704
1705 \begin{code}
1706 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1707 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1708 --      fm = f tys dicts
1709 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1710 --      d1 = d2
1711 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1712 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1713
1714 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1715   | null overloaded_ids = do
1716         -- Common case
1717     extendLIEs wanteds
1718     return emptyLHsBinds
1719
1720   | otherwise
1721   = do  { (irreds, binds) <- gentleInferLoop doc for_me
1722         ; extendLIEs not_for_me 
1723         ; extendLIEs irreds
1724         ; return binds }
1725   where
1726     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1727     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1728     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1729     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1730
1731     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1732                                                 -- so it's worth building a set, so that
1733                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1734 \end{code}
1735
1736
1737 %************************************************************************
1738 %*                                                                      *
1739 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1740 %*                                                                      *
1741 %************************************************************************
1742
1743 The main control over context reduction is here
1744
1745 \begin{code}
1746 data RedEnv 
1747   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1748            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1749            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1750            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1751                                                 -- Always dicts & equalities
1752                                                 -- but see Note [Rigidity]
1753  
1754            , red_given_scs :: Inst -> WantSCs   -- See Note [Recursive instances and superclases]
1755  
1756            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1757                                                 -- See Note [RedStack]
1758   }
1759
1760 -- Note [Rigidity]
1761 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1762 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1763 --      let ?x = e in ...
1764 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1765 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1766
1767 -- Note [RedStack]
1768 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1769 -- 'n' is always the depth of the stack.
1770 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1771 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1772
1773
1774 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1775 mkRedEnv doc try_me givens
1776   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1777              red_givens = givens, 
1778              red_given_scs = const AddSCs,
1779              red_stack = (0,[]),
1780              red_improve = True }       
1781
1782 mkInferRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1783 -- No givens at all
1784 mkInferRedEnv doc try_me
1785   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1786              red_givens = [], 
1787              red_given_scs = const AddSCs,
1788              red_stack = (0,[]),
1789              red_improve = True }       
1790
1791 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1792 -- Do not do improvement; no givens
1793 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1794   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1795              red_givens = [], 
1796              red_given_scs = const AddSCs,
1797              red_stack = (0,[]),
1798              red_improve = True }       
1799
1800 data WhatToDo
1801  = ReduceMe     -- Try to reduce this
1802                 -- If there's no instance, add the inst to the 
1803                 -- irreductible ones, but don't produce an error 
1804                 -- message of any kind.
1805                 -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1806
1807  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1808                         -- be reduced to a constant in one step
1809                         -- Do not add superclasses; see 
1810
1811 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1812                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1813         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1814         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1815
1816 zonkRedEnv :: RedEnv -> TcM RedEnv
1817 zonkRedEnv env
1818   = do { givens' <- mapM zonkInst (red_givens env)
1819        ; return $ env {red_givens = givens'}
1820        }
1821 \end{code}
1822
1823
1824 %************************************************************************
1825 %*                                                                      *
1826 \subsection[reduce]{@reduce@}
1827 %*                                                                      *
1828 %************************************************************************
1829
1830 Note [Ancestor Equalities]
1831 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1832 During context reduction, we add to the wanted equalities also those
1833 equalities that (transitively) occur in superclass contexts of wanted
1834 class constraints.  Consider the following code
1835
1836   class a ~ Int => C a
1837   instance C Int
1838
1839 If (C a) is wanted, we want to add (a ~ Int), which will be discharged by
1840 substituting Int for a.  Hence, we ultimately want (C Int), which we
1841 discharge with the explicit instance.
1842
1843 \begin{code}
1844 reduceContext :: RedEnv
1845               -> [Inst]                 -- Wanted
1846               -> TcM (ImprovementDone,
1847                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1848                       [Inst])           -- Irreducible
1849
1850 reduceContext env wanteds0
1851   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1852              text "----------------------",
1853              red_doc env,
1854              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1855              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1856              text "----------------------"
1857              ]))
1858
1859           -- We want to add as wanted equalities those that (transitively) 
1860           -- occur in superclass contexts of wanted class constraints.
1861           -- See Note [Ancestor Equalities]
1862         ; ancestor_eqs <- ancestorEqualities wanteds0
1863         ; traceTc $ text "reduceContext: ancestor eqs" <+> ppr ancestor_eqs
1864
1865           -- Normalise and solve all equality constraints as far as possible
1866           -- and normalise all dictionary constraints wrt to the reduced
1867           -- equalities.  The returned wanted constraints include the
1868           -- irreducible wanted equalities.
1869         ; let wanteds = wanteds0 ++ ancestor_eqs
1870               givens  = red_givens env
1871         ; (givens', 
1872            wanteds', 
1873            normalise_binds,
1874            eq_improved)     <- tcReduceEqs givens wanteds
1875         ; traceTc $ text "reduceContext: tcReduceEqs result" <+> vcat
1876                       [ppr givens', ppr wanteds', ppr normalise_binds]
1877
1878           -- Build the Avail mapping from "given_dicts"
1879         ; (init_state, _) <- getLIE $ do 
1880                 { init_state <- foldlM (addGiven (red_given_scs env)) 
1881                                        emptyAvails givens'
1882                 ; return init_state
1883                 }
1884
1885           -- Solve the *wanted* *dictionary* constraints (not implications)
1886           -- This may expose some further equational constraints in the course
1887           -- of improvement due to functional dependencies if any of the
1888           -- involved unifications gets deferred.
1889         ; let (wanted_implics, wanted_dicts) = partition isImplicInst wanteds'
1890         ; (avails, extra_eqs) <- getLIE (reduceList env wanted_dicts init_state)
1891                    -- The getLIE is reqd because reduceList does improvement
1892                    -- (via extendAvails) which may in turn do unification
1893         ; (dict_binds, 
1894            bound_dicts, 
1895            dict_irreds)       <- extractResults avails wanted_dicts
1896         ; traceTc $ text "reduceContext: extractResults" <+> vcat
1897                       [ppr avails, ppr wanted_dicts, ppr dict_binds]
1898
1899           -- Solve the wanted *implications*.  In doing so, we can provide
1900           -- as "given"   all the dicts that were originally given, 
1901           --              *or* for which we now have bindings, 
1902           --              *or* which are now irreds
1903           -- NB: Equality irreds need to be converted, as the recursive 
1904           --     invocation of the solver will still treat them as wanteds
1905           --     otherwise.
1906         ; let implic_env = env { red_givens 
1907                                    = givens ++ bound_dicts ++
1908                                      map wantedToLocalEqInst dict_irreds }
1909         ; (implic_binds_s, implic_irreds_s) 
1910             <- mapAndUnzipM (reduceImplication implic_env) wanted_implics
1911         ; let implic_binds  = unionManyBags implic_binds_s
1912               implic_irreds = concat implic_irreds_s
1913
1914           -- Collect all irreducible instances, and determine whether we should
1915           -- go round again.  We do so in either of two cases:
1916           -- (1) If dictionary reduction or equality solving led to
1917           --     improvement (i.e., instantiated type variables).
1918           -- (2) If we reduced dictionaries (i.e., got dictionary bindings),
1919           --     they may have exposed further opportunities to normalise
1920           --     family applications.  See Note [Dictionary Improvement]
1921           --
1922           -- NB: We do *not* go around for new extra_eqs.  Morally, we should,
1923           --     but we can't without risking non-termination (see #2688).  By
1924           --     not going around, we miss some legal programs mixing FDs and
1925           --     TFs, but we never claimed to support such programs in the
1926           --     current implementation anyway.
1927
1928         ; let all_irreds       = dict_irreds ++ implic_irreds ++ extra_eqs
1929               avails_improved  = availsImproved avails
1930               improvedFlexible = avails_improved || eq_improved
1931               reduced_dicts    = not (isEmptyBag dict_binds)
1932               improved         = improvedFlexible || reduced_dicts
1933               --
1934               improvedHint  = (if avails_improved then " [AVAILS]" else "") ++
1935                               (if eq_improved then " [EQ]" else "")
1936
1937         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1938              text "----------------------",
1939              red_doc env,
1940              text "given" <+> ppr givens,
1941              text "wanted" <+> ppr wanteds0,
1942              text "----",
1943              text "avails" <+> pprAvails avails,
1944              text "improved =" <+> ppr improved <+> text improvedHint,
1945              text "(all) irreds = " <+> ppr all_irreds,
1946              text "dict-binds = " <+> ppr dict_binds,
1947              text "implic-binds = " <+> ppr implic_binds,
1948              text "----------------------"
1949              ]))
1950
1951         ; return (improved, 
1952                   normalise_binds `unionBags` dict_binds 
1953                                   `unionBags` implic_binds, 
1954                   all_irreds) 
1955         }
1956
1957 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1958 tcImproveOne avails inst
1959   | not (isDict inst) = return False
1960   | otherwise
1961   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1962         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1963                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1964                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1965                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1966                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1967                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1968                 -- It does not have duplicates (good)
1969                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in 
1970                 --    avails so that improve will see them separate
1971         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1972         ; unifyEqns eqns }
1973
1974 unifyEqns :: [(Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc))] 
1975           -> TcM ImprovementDone
1976 unifyEqns [] = return False
1977 unifyEqns eqns
1978   = do  { traceTc (ptext (sLit "Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1979         ; improved <- mapM unify eqns
1980         ; return $ or improved
1981         }
1982   where
1983     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1984          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2) $ 
1985              do { let freeTyVars = unionVarSets (map tvs_pr pairs) 
1986                                    `minusVarSet` qtvs
1987                 ; (_, _, tenv) <- tcInstTyVars (varSetElems qtvs)
1988                 ; mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1989                 ; anyM isFilledMetaTyVar $ varSetElems freeTyVars
1990                 }
1991
1992     unif_pr tenv (ty1, ty2) = unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1993
1994     tvs_pr (ty1, ty2) = tyVarsOfType ty1 `unionVarSet` tyVarsOfType ty2
1995
1996 pprEquationDoc :: (Equation, (PredType, SDoc), (PredType, SDoc)) -> SDoc
1997 pprEquationDoc (eqn, (p1, _), (p2, _)) 
1998   = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1999
2000 mkEqnMsg :: (TcPredType, SDoc) -> (TcPredType, SDoc) -> TidyEnv
2001          -> TcM (TidyEnv, SDoc)
2002 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
2003   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1
2004         ; pred2' <- zonkTcPredType pred2
2005         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'
2006               ; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
2007         ; let msg = vcat [ptext (sLit "When using functional dependencies to combine"),
2008                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
2009                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
2010         ; return (tidy_env, msg) }
2011 \end{code}
2012
2013 Note [Dictionary Improvement]
2014 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2015 In reduceContext, we first reduce equalities and then class constraints.
2016 However, the letter may expose further opportunities for the former.  Hence,
2017 we need to go around again if dictionary reduction produced any dictionary
2018 bindings.  The following example demonstrated the point:
2019
2020   data EX _x _y (p :: * -> *)
2021   data ANY
2022
2023   class Base p
2024
2025   class Base (Def p) => Prop p where
2026    type Def p
2027
2028   instance Base ()
2029   instance Prop () where
2030    type Def () = ()
2031
2032   instance (Base (Def (p ANY))) => Base (EX _x _y p)
2033   instance (Prop (p ANY)) => Prop (EX _x _y p) where
2034    type Def (EX _x _y p) = EX _x _y p
2035
2036   data FOO x
2037   instance Prop (FOO x) where
2038    type Def (FOO x) = ()
2039
2040   data BAR
2041   instance Prop BAR where
2042    type Def BAR = EX () () FOO
2043
2044 During checking the last instance declaration, we need to check the superclass
2045 cosntraint Base (Def BAR), which family normalisation reduced to 
2046 Base (EX () () FOO).  Chasing the instance for Base (EX _x _y p), gives us
2047 Base (Def (FOO ANY)), which again requires family normalisation of Def to
2048 Base () before we can finish.
2049
2050
2051 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
2052
2053 \begin{code}
2054 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
2055 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
2056   = do  { traceTc (text "reduceList " <+> (ppr wanteds $$ ppr state))
2057         ; dopts <- getDOpts
2058         ; when (debugIsOn && (n > 8)) $ do
2059                 debugDumpTcRn (hang (ptext (sLit "Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
2060                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
2061         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
2062             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
2063           else
2064             go wanteds state }
2065   where
2066     go []     state = return state
2067     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
2068                          ; go ws state' }
2069
2070     -- Base case: we're done!
2071 reduce :: RedEnv -> Inst -> Avails -> TcM Avails
2072 reduce env wanted avails
2073
2074     -- We don't reduce equalities here (and they must not end up as irreds
2075     -- in the Avails!)
2076   | isEqInst wanted
2077   = return avails
2078
2079     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
2080   | Just _ <- findAvail avails wanted
2081   = do { traceTc (text "reduce: found " <+> ppr wanted)
2082        ; return avails
2083        }
2084
2085   | otherwise
2086   = do  { traceTc (text "reduce" <+> ppr wanted $$ ppr avails)
2087         ; case red_try_me env wanted of {
2088             Stop -> try_simple (addIrred NoSCs);
2089                         -- See Note [No superclasses for Stop]
2090
2091             ReduceMe -> do      -- It should be reduced
2092                 { (avails, lookup_result) <- reduceInst env avails wanted
2093                 ; case lookup_result of
2094                     NoInstance -> addIrred AddSCs avails wanted
2095                              -- Add it and its superclasses
2096                              
2097                     GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2098
2099                     GenInst wanteds' rhs
2100                           -> do { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
2101                                 ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
2102                                 ; addWanted AddSCs avails2 wanted rhs wanteds' } }
2103                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
2104                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
2105                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
2106                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2107                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
2108                 --     superclasses too, and that can lead to a spurious loop; see
2109                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
2110                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
2111     } }
2112   where
2113         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
2114         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
2115         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
2116     try_simple do_this_otherwise
2117       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
2118            ; case res of
2119                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
2120                 _              -> do_this_otherwise avails wanted }
2121 \end{code}
2122
2123
2124 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
2125 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2126 Consider 
2127     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
2128     
2129     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
2130         ZeroD     == ZeroD     = True
2131         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
2132         _         == _         = False;
2133     
2134     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
2135     equalDC = (==);
2136
2137 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
2138
2139         d1 : Eq (D [])
2140
2141 by instance decl, holds if
2142         d2 : Eq [D []]
2143         where   d1 = dfEqD d2
2144
2145 by instance decl of Eq, holds if
2146         d3 : D []
2147         where   d2 = dfEqList d3
2148                 d1 = dfEqD d2
2149
2150 But now we can "tie the knot" to give
2151
2152         d3 = d1
2153         d2 = dfEqList d3
2154         d1 = dfEqD d2
2155
2156 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
2157 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
2158 contributing clauses.
2159         
2160 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2161 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2162 We need to be careful when adding "the constaint we are trying to prove".
2163 Suppose we are *given* d1:Ord a, and want to deduce (d2:C [a]) where
2164
2165         class Ord a => C a where
2166         instance Ord [a] => C [a] where ...
2167
2168 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
2169 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
2170 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
2171 build a loop! 
2172
2173 Here's another variant, immortalised in tcrun020
2174         class Monad m => C1 m
2175         class C1 m => C2 m x
2176         instance C2 Maybe Bool
2177 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
2178 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
2179 before we search for C1 Maybe.
2180
2181 Here's another example 
2182         class Eq b => Foo a b
2183         instance Eq a => Foo [a] a
2184 If we are reducing
2185         (Foo [t] t)
2186
2187 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
2188 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
2189
2190 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
2191 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
2192 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
2193 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
2194 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
2195 first time, but reducible next time.
2196
2197 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
2198 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
2199
2200
2201
2202 %************************************************************************
2203 %*                                                                      *
2204                 Reducing a single constraint
2205 %*                                                                      *
2206 %************************************************************************
2207
2208 \begin{code}
2209 ---------------------------------------------
2210 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
2211 reduceInst _ avails other_inst
2212   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
2213         ; return (avails, result) }
2214 \end{code}
2215
2216 Note [Equational Constraints in Implication Constraints]
2217 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2218
2219 An implication constraint is of the form 
2220         Given => Wanted 
2221 where Given and Wanted may contain both equational and dictionary
2222 constraints. The delay and reduction of these two kinds of constraints
2223 is distinct:
2224
2225 -) In the generated code, wanted Dictionary constraints are wrapped up in an
2226    implication constraint that is created at the code site where the wanted
2227    dictionaries can be reduced via a let-binding. This let-bound implication
2228    constraint is deconstructed at the use-site of the wanted dictionaries.
2229
2230 -) While the reduction of equational constraints is also delayed, the delay
2231    is not manifest in the generated code. The required evidence is generated
2232    in the code directly at the use-site. There is no let-binding and deconstruction
2233    necessary. The main disadvantage is that we cannot exploit sharing as the
2234    same evidence may be generated at multiple use-sites. However, this disadvantage
2235    is limited because it only concerns coercions which are erased.
2236
2237 The different treatment is motivated by the different in representation. Dictionary
2238 constraints require manifest runtime dictionaries, while equations require coercions
2239 which are types.
2240
2241 \begin{code}
2242 ---------------------------------------------
2243 reduceImplication :: RedEnv
2244                   -> Inst
2245                   -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2246 \end{code}
2247
2248 Suppose we are simplifying the constraint
2249         forall bs. extras => wanted
2250 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens'.
2251
2252 Note that
2253   * The 'givens' need not mention any of the quantified type variables
2254         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
2255                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
2256
2257     This happens when you have something like
2258         data T a where
2259           T1 :: Eq a => a -> T a
2260
2261         f :: T a -> Int
2262         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
2263
2264 \begin{code}
2265         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
2266         --
2267         -- Note on coercion variables:
2268         --
2269         --      The extra given coercion variables are bound at two different 
2270         --      sites:
2271         --
2272         --      -) in the creation context of the implication constraint        
2273         --              the solved equational constraints use these binders
2274         --
2275         --      -) at the solving site of the implication constraint
2276         --              the solved dictionaries use these binders;
2277         --              these binders are generated by reduceImplication
2278         --
2279         -- Note [Binders for equalities]
2280         -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2281         -- To reuse the binders of local/given equalities in the binders of 
2282         -- implication constraints, it is crucial that these given equalities
2283         -- always have the form
2284         --   cotv :: t1 ~ t2
2285         -- where cotv is a simple coercion type variable (and not a more
2286         -- complex coercion term).  We require that the extra_givens always
2287         -- have this form and exploit the special form when generating binders.
2288 reduceImplication env
2289         orig_implic@(ImplicInst { tci_name = name, tci_loc = inst_loc,
2290                                   tci_tyvars = tvs,
2291                                   tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds
2292                                  })
2293   = do  {       -- Solve the sub-problem
2294         ; let try_me _ = ReduceMe  -- Note [Freeness and implications]
2295               env' = env { red_givens = extra_givens ++ red_givens env
2296                          , red_doc = sep [ptext (sLit "reduceImplication for") 
2297                                             <+> ppr name,
2298                                           nest 2 (parens $ ptext (sLit "within")
2299                                                            <+> red_doc env)]
2300                          , red_try_me = try_me }
2301
2302         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
2303                         [ ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
2304                           ppr wanteds])
2305         ; (irreds, binds) <- checkLoop env' wanteds
2306
2307         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
2308                         [ppr irreds, ppr binds])
2309
2310         ; -- extract superclass binds
2311           --  (sc_binds,_) <- extractResults avails []
2312 --      ; traceTc (text "reduceImplication sc_binds" <+> vcat
2313 --                      [ppr sc_binds, ppr avails])
2314 --  
2315
2316         -- SLPJ Sept 07: what if improvement happened inside the checkLoop?
2317         -- Then we must iterate the outer loop too!
2318
2319         ; didntSolveWantedEqs <- allM wantedEqInstIsUnsolved wanteds
2320                                    -- we solve wanted eqs by side effect!
2321
2322             -- Progress is no longer measered by the number of bindings
2323             -- If there are any irreds, but no bindings and no solved
2324             -- equalities, we back off and do nothing
2325         ; let backOff = isEmptyLHsBinds binds &&   -- no new bindings
2326                         (not $ null irreds)   &&   -- but still some irreds
2327                         didntSolveWantedEqs        -- no instantiated cotv
2328
2329         ; if backOff then       -- No progress
2330                 return (emptyBag, [orig_implic])
2331           else do
2332         { (simpler_implic_insts, bind) 
2333             <- makeImplicationBind inst_loc tvs extra_givens irreds
2334                 -- This binding is useless if the recursive simplification
2335                 -- made no progress; but currently we don't try to optimise that
2336                 -- case.  After all, we only try hard to reduce at top level, or
2337                 -- when inferring types.
2338
2339         ; let   -- extract Id binders for dicts and CoTyVar binders for eqs;
2340                 -- see Note [Binders for equalities]
2341               (extra_eq_givens, extra_dict_givens) = partition isEqInst 
2342                                                                extra_givens
2343               eq_cotvs = map instToVar extra_eq_givens
2344               dict_ids = map instToId  extra_dict_givens 
2345
2346                         -- Note [Always inline implication constraints]
2347               wrap_inline | null dict_ids = idHsWrapper
2348                           | otherwise     = WpInline
2349               co         = wrap_inline
2350                            <.> mkWpTyLams tvs
2351                            <.> mkWpTyLams eq_cotvs
2352                            <.> mkWpLams dict_ids
2353                            <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
2354               rhs        = mkLHsWrap co payload
2355               loc        = instLocSpan inst_loc
2356                              -- wanted equalities are solved by updating their
2357                              -- cotv; we don't generate bindings for them
2358               dict_bndrs =   map (L loc . HsVar . instToId) 
2359                            . filter (not . isEqInst) 
2360                            $ wanteds
2361               payload    = mkBigLHsTup dict_bndrs
2362
2363         
2364         ; traceTc (vcat [text "reduceImplication" <+> ppr name,
2365                          ppr simpler_implic_insts,
2366                          text "->" <+> ppr rhs])
2367         ; return (unitBag (L loc (VarBind (instToId orig_implic) rhs)),
2368                   simpler_implic_insts)
2369         } 
2370     }
2371 reduceImplication _ i = pprPanic "reduceImplication" (ppr i)
2372 \end{code}
2373
2374 Note [Always inline implication constraints]
2375 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2376 Suppose an implication constraint floats out of an INLINE function.
2377 Then although the implication has a single call site, it won't be 
2378 inlined.  And that is bad because it means that even if there is really
2379 *no* overloading (type signatures specify the exact types) there will
2380 still be dictionary passing in the resulting code.  To avert this,
2381 we mark the implication constraints themselves as INLINE, at least when
2382 there is no loss of sharing as a result.
2383
2384 Note [Freeness and implications]
2385 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2386 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
2387         forall {} Eq a => Foo [a]
2388 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
2389 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
2390
2391 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
2392 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
2393         forall {a}. () => Bar b
2394 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
2395 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
2396 must be much more careful:
2397         forall {a}. C a b => Bar (m b)
2398 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
2399 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
2400
2401 Here is an even more exotic example
2402         class C a => D a b
2403 Now consider the constraint
2404         forall b. D Int b => C Int
2405 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
2406 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
2407 the constraints!
2408
2409 One more example: the constraint
2410         class C a => D a b
2411         instance (C a, E c) => E (a,c)
2412
2413         constraint: forall b. D Int b => E (Int,c)
2414
2415 You might think that the (D Int b) can't possibly contribute
2416 to solving (E (Int,c)), since the latter mentions 'c'.  But 
2417 in fact it can, because solving the (E (Int,c)) constraint needs 
2418 dictionaries
2419         C Int, E c
2420 and the (C Int) can be satisfied from the superclass of (D Int b).
2421 So we must still not float (E (Int,c)) out.
2422
2423 To think about: special cases for unary type classes?
2424
2425 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
2426 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2427 Suppose we are about to form the implication constraint
2428         forall tvs.  Eq a => Ord b
2429 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
2430 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
2431 But BE CAREFUL of the examples above in [Freeness and implications].
2432
2433 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
2434 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
2435 advantage of that at the moment.
2436
2437 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
2438
2439
2440 %************************************************************************
2441 %*                                                                      *
2442                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2443 %*                                                                      *
2444 %************************************************************************
2445
2446
2447 \begin{code}
2448 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2449
2450 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2451                                 -- so some Irreds might now be reducible
2452                                 -- keys that are now 
2453
2454 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2455 data AvailHow
2456   = IsIrred             -- Used for irreducible dictionaries,
2457                         -- which are going to be lambda bound
2458
2459   | Given Inst          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2460                         -- e.g. those "given" in a signature
2461
2462   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2463         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2464         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2465
2466 instance Outputable Avails where
2467   ppr = pprAvails
2468
2469 pprAvails :: Avails -> SDoc
2470 pprAvails (Avails imp avails)
2471   = vcat [ ptext (sLit "Avails") <> (if imp then ptext (sLit "[improved]") else empty)
2472          , nest 2 $ braces $ 
2473            vcat [ sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2474                 | (inst,avail) <- fmToList avails ]]
2475
2476 instance Outputable AvailHow where
2477     ppr = pprAvail
2478
2479 -------------------------
2480 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2481 pprAvail IsIrred        = text "Irred"
2482 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2483 pprAvail (Rhs rhs bs)   = sep [text "Rhs" <+> ppr bs,
2484                                nest 2 (ppr rhs)]
2485
2486 -------------------------
2487 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2488 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2489
2490 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2491 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2492         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2493         --  *not* by unique.  So
2494         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2495
2496 emptyAvails :: Avails
2497 emptyAvails = Avails False emptyFM
2498
2499 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2500 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2501
2502 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2503 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2504
2505 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2506 -- Does improvement
2507 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail
2508   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2509         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2510
2511 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2512 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2513
2514 availsImproved :: Avails -> ImprovementDone
2515 availsImproved (Avails imp _) = imp
2516 \end{code}
2517
2518 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2519 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2520 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2521 dependency analyser can sort them out later
2522
2523 \begin{code}
2524 type DoneEnv = FiniteMap Inst [Id]
2525 -- Tracks which things we have evidence for
2526
2527 extractResults :: Avails
2528                -> [Inst]                -- Wanted
2529                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
2530                        [Inst],          -- The insts bound by the bindings
2531                        [Inst])          -- Irreducible ones
2532                         -- Note [Reducing implication constraints]
2533
2534 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2535   = go emptyBag [] [] emptyFM wanteds
2536   where
2537     go  :: TcDictBinds  -- Bindings for dicts
2538         -> [Inst]       -- Bound by the bindings
2539         -> [Inst]       -- Irreds
2540         -> DoneEnv      -- Has an entry for each inst in the above three sets
2541         -> [Inst]       -- Wanted
2542         -> TcM (TcDictBinds, [Inst], [Inst])
2543     go binds bound_dicts irreds _ [] 
2544       = return (binds, bound_dicts, irreds)
2545
2546     go binds bound_dicts irreds done (w:ws)
2547       | isEqInst w
2548       = go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2549
2550       | Just done_ids@(done_id : rest_done_ids) <- lookupFM done w
2551       = if w_id `elem` done_ids then
2552            go binds bound_dicts irreds done ws
2553         else
2554            go (add_bind (nlHsVar done_id)) bound_dicts irreds
2555               (addToFM done w (done_id : w_id : rest_done_ids)) ws
2556
2557       | otherwise       -- Not yet done
2558       = case findAvailEnv avails w of
2559           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2560                      go binds bound_dicts irreds done ws
2561
2562           Just IsIrred -> go binds bound_dicts (w:irreds) done' ws
2563
2564           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_bind rhs) (w:bound_dicts) irreds done' (ws' ++ ws)
2565
2566           Just (Given g) -> go binds' bound_dicts irreds (addToFM done w [g_id]) ws 
2567                 where
2568                   g_id = instToId g
2569                   binds' | w_id == g_id = binds
2570                          | otherwise    = add_bind (nlHsVar g_id)
2571       where
2572         w_id  = instToId w      
2573         done' = addToFM done w [w_id]
2574         add_bind rhs = addInstToDictBind binds w rhs
2575 \end{code}
2576
2577
2578 Note [No superclasses for Stop]
2579 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2580 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2581 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2582 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2583         df::Floating a
2584         dn::Num a
2585 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2586 here lest we lose sharing.
2587
2588 \begin{code}
2589 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2590 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2591   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2592   where
2593     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2594
2595 addGiven :: (Inst -> WantSCs) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2596 addGiven want_scs avails given = addAvailAndSCs (want_scs given) avails given (Given given)
2597         -- Conditionally add superclasses for 'givens'
2598         -- See Note [Recursive instances and superclases]
2599         --
2600         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2601         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2602         -- so the assert isn't true
2603 \end{code}
2604
2605 \begin{code}
2606 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2607 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2608                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred IsIrred
2609
2610 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2611 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2612   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2613   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2614   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2615                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2616                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2617   where
2618     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2619                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2620     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToVar inst)) avail
2621     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2622
2623     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2624     -- Find all the Insts that this one depends on
2625     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2626     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2627     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2628     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2629     findAllDeps so_far _            = so_far
2630
2631     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2632     find_all so_far kid
2633       | isEqInst kid                       = so_far
2634       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2635       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2636       | otherwise                          = so_far'
2637       where
2638         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2639         kid_id = instToId kid
2640
2641 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2642         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2643         -- The first param says "don't do this because the original thing
2644         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2645         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2646
2647 addSCs is_loop avails dict
2648   = ASSERT( isDict dict )
2649     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2650         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2651   where
2652     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2653     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2654     sc_theta' = filter (not . isEqPred) $
2655                   substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2656
2657     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2658       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2659       | is_given sc_dict           = return avails
2660       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2661                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2662       where
2663         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2664         co_fn      = WpApp (instToVar dict) <.> mkWpTyApps tys
2665
2666     is_given :: Inst -> Bool
2667     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2668                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2669                           _              -> False
2670
2671 -- From the a set of insts obtain all equalities that (transitively) occur in
2672 -- superclass contexts of class constraints (aka the ancestor equalities). 
2673 --
2674 ancestorEqualities :: [Inst] -> TcM [Inst]
2675 ancestorEqualities
2676   =   mapM mkWantedEqInst               -- turn only equality predicates..
2677     . filter isEqPred                   -- ..into wanted equality insts
2678     . bagToList 
2679     . addAEsToBag emptyBag              -- collect the superclass constraints..
2680     . map dictPred                      -- ..of all predicates in a bag
2681     . filter isClassDict
2682   where
2683     addAEsToBag :: Bag PredType -> [PredType] -> Bag PredType
2684     addAEsToBag bag []           = bag
2685     addAEsToBag bag (pred:preds)
2686       | pred `elemBag` bag = addAEsToBag bag         preds
2687       | isEqPred pred      = addAEsToBag bagWithPred preds
2688       | isClassPred pred   = addAEsToBag bagWithPred predsWithSCs
2689       | otherwise          = addAEsToBag bag         preds
2690       where
2691         bagWithPred  = bag `snocBag` pred
2692         predsWithSCs = preds ++ substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2693         --
2694         (tyvars, sc_theta, _, _) = classBigSig clas
2695         (clas, tys)              = getClassPredTys pred 
2696 \end{code}
2697
2698
2699 %************************************************************************
2700 %*                                                                      *
2701 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2702 %*                                                                      *
2703 %************************************************************************
2704
2705
2706 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2707 and ambiguous Insts.
2708
2709 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2710
2711         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2712
2713 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2714 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2715
2716 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2717
2718
2719 \begin{code}
2720 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2721 tcSimplifyTop wanteds
2722   = tc_simplify_top doc False wanteds
2723   where 
2724     doc = text "tcSimplifyTop"
2725
2726 tcSimplifyInteractive wanteds
2727   = tc_simplify_top doc True wanteds
2728   where 
2729     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2730
2731 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2732 -- error message generation for the monomorphism restriction
2733 tc_simplify_top :: SDoc -> Bool -> [Inst] -> TcM (Bag (LHsBind TcId))
2734 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2735   = do  { dflags <- getDOpts
2736         ; wanteds <- zonkInsts wanteds
2737         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2738
2739         ; traceTc (text "tc_simplify_top 0: " <+> ppr wanteds)
2740         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2741 --      ; (irreds1, binds1) <- gentleInferLoop doc1 wanteds
2742         ; traceTc (text "tc_simplify_top 1: " <+> ppr irreds1)
2743         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\_ -> True) irreds1
2744         ; traceTc (text "tc_simplify_top 2: " <+> ppr irreds2)
2745
2746                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2747                 -- NB: irreds2 are already zonked
2748         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2749
2750                 -- Deal with implicit parameters
2751         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2752               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2753
2754         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2755                                 --                  f x = x + ?y
2756         ; addNoInstanceErrs others
2757         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2758
2759         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2760   where
2761     doc1 = doc <+> ptext (sLit "(first round)")
2762     doc2 = doc <+> ptext (sLit "(approximate)")
2763     doc3 = doc <+> ptext (sLit "(disambiguate)")
2764 \end{code}
2765
2766 If a dictionary constrains a type variable which is
2767         * not mentioned in the environment
2768         * and not mentioned in the type of the expression
2769 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2770 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2771 parameter to a function.
2772
2773 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2774 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2775 Specifically, if
2776         * at least one of its classes is a numeric class, and
2777         * all of its classes are numeric or standard
2778 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2779 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2780
2781 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2782 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2783 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2784 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2785
2786 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2787 the same type variable.
2788
2789 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2790 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2791 the most common use of defaulting is code like:
2792 \begin{verbatim}
2793         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2794 \end{verbatim}
2795 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2796 @void@.
2797
2798 \begin{code}
2799 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2800         -- Just does unification to fix the default types
2801         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2802 disambiguate doc interactive dflags insts
2803   | null insts
2804   = return (insts, emptyBag)
2805
2806   | null defaultable_groups
2807   = do  { traceTc (text "disambigutate, no defaultable groups" <+> vcat [ppr unaries, ppr insts, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2808         ; return (insts, emptyBag) }
2809
2810   | otherwise
2811   = do  {       -- Figure out what default types to use
2812           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2813
2814         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2815         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2816
2817         -- disambigGroup does unification, hence try again
2818         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2819
2820   where
2821    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2822    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2823
2824    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2825    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2826    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2827    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2828
2829         -- Finds unary type-class constraints
2830    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2831         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2832    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2833
2834                 -- Group by type variable
2835    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2836    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2837    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2838
2839    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2840    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2841         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2842         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2843         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2844    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2845
2846    defaultable_classes clss 
2847         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2848         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2849
2850         -- In interactive mode, or with -XExtendedDefaultRules,
2851         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2852    isInteractiveClass cls 
2853         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2854
2855    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2856         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2857         -- when -foverloaded-strings is enabled
2858
2859    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2860         -- Similarly is_std_class
2861
2862 -----------------------
2863 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2864               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2865               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2866
2867 disambigGroup default_tys dicts
2868   = try_default default_tys
2869   where
2870     (_,_,tyvar) = ASSERT(not (null dicts)) head dicts   -- Should be non-empty
2871     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2872
2873     try_default [] = return ()
2874     try_default (default_ty : default_tys)
2875       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2876         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2877                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2878                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2879                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2880                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2881                 -- default list is Int.
2882
2883                 -- After this we can't fail
2884            ; warnDefault dicts default_ty
2885            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) 
2886            ; return () -- TOMDO: do something with the coercion
2887            }
2888
2889
2890 -----------------------
2891 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2892 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2893   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2894         ; case mb_defaults of {
2895            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2896            Nothing  -> do
2897
2898         -- No use-supplied default
2899         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2900         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2901         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2902         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2903         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2904                         -- Note [Default unitTy]
2905                         ++
2906                   [integer_ty,doubleTy]
2907                         ++
2908                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2909   where
2910     opt_deflt True  ty = [ty]
2911     opt_deflt False _  = []
2912 \end{code}
2913
2914 Note [Default unitTy]
2915 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2916 In interative mode (or with -XExtendedDefaultRules) we add () as the first type we
2917 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2918 Consider: 
2919         Text.Printf.printf "hello"
2920 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2921 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2922 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2923 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2924 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2925
2926 Note [Avoiding spurious errors]
2927 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2928 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2929 type variables, and simply don't default them.  For example:
2930    f = (*)      -- Monomorphic
2931    g :: Num a => a -> a
2932    g x = f x x
2933 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2934 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2935 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2936 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2937 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2938
2939
2940 %************************************************************************
2941 %*                                                                      *
2942 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2943 %*                                                                      *
2944 %************************************************************************
2945
2946 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2947
2948 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2949 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2950 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2951
2952 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2953 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2954 instance declarations.
2955
2956 \begin{code}
2957 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2958                 -> [TyVar]      
2959                 -> ThetaType            -- Wanted
2960                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2961 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2962 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2963
2964 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2965   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2966         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2967         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2968         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2969         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2970         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2971
2972         ; let (tv_dicts, others) = partition ok irreds
2973         ; addNoInstanceErrs others
2974         -- See Note [Exotic derived instance contexts] in TcMType
2975
2976         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2977               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2978                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2979                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2980
2981         ; return simpl_theta }
2982   where
2983     doc = ptext (sLit "deriving classes for a data type")
2984
2985     ok dict | isDict dict = validDerivPred (dictPred dict)
2986             | otherwise   = False
2987 \end{code}
2988
2989
2990 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2991 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2992 whether it worked or not.
2993
2994 \begin{code}
2995 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2996                   -> TcM ()
2997
2998 tcSimplifyDefault theta = do
2999     wanteds <- newDictBndrsO DefaultOrigin theta
3000     (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
3001     addNoInstanceErrs  irreds
3002     if null irreds then
3003         return ()
3004      else
3005         traceTc (ptext (sLit "tcSimplifyDefault failing")) >> failM
3006   where
3007     doc = ptext (sLit "default declaration")
3008 \end{code}
3009
3010
3011 %************************************************************************
3012 %*                                                                      *
3013 \section{Errors and contexts}
3014 %*                                                                      *
3015 %************************************************************************
3016
3017 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
3018 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
3019 now?
3020
3021 \begin{code}
3022 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
3023           -> [Inst]             -- The offending Insts
3024           -> TcM ()
3025 -- Group together insts with the same origin
3026 -- We want to report them together in error messages
3027
3028 groupErrs _ [] 
3029   = return ()
3030 groupErrs report_err (inst:insts)
3031   = do  { do_one (inst:friends)
3032         ; groupErrs report_err others }
3033   where
3034         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
3035         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
3036         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
3037    (friends, others) = partition is_friend insts
3038    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
3039    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
3040    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
3041                 -- Add location and context information derived from the Insts
3042
3043 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
3044 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
3045 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
3046
3047 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
3048 addTopIPErrs _ [] 
3049   = return ()
3050 addTopIPErrs bndrs ips
3051   = do  { dflags <- getDOpts
3052         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
3053   where
3054     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
3055     mk_msg dflags ips 
3056         = vcat [sep [ptext (sLit "Implicit parameters escape from"),
3057                 nest 2 (ptext (sLit "the monomorphic top-level binding") 
3058                                             <> plural bndrs <+> ptext (sLit "of")
3059                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
3060                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
3061                 monomorphism_fix dflags]
3062     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
3063
3064 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
3065 topIPErrs dicts
3066   = groupErrs report tidy_dicts
3067   where
3068     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3069     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
3070     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext (sLit "Unbound implicit parameter") <> 
3071                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
3072
3073 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
3074                   -> TcM ()     
3075 addNoInstanceErrs insts
3076   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
3077         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
3078
3079 reportNoInstances 
3080         :: TidyEnv
3081         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
3082                         -- Nothing => top level
3083                         -- Just (d,g) => d describes the construct
3084                         --               with givens g
3085         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
3086         -> TcM ()       
3087
3088 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
3089   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
3090
3091 report_no_instances :: TidyEnv -> Maybe (InstLoc, [Inst]) -> [Inst] -> TcM ()
3092 report_no_instances tidy_env mb_what insts
3093   = do { inst_envs <- tcGetInstEnvs
3094        ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
3095              (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
3096              (eqInsts, insts3)  = partition isEqInst insts2
3097        ; traceTc (text "reportNoInstances" <+> vcat 
3098                        [ppr insts, ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
3099        ; mapM_ complain_implic implics
3100        ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
3101        ; groupErrs complain_no_inst insts3 
3102        ; mapM_ (addErrTcM . mk_eq_err) eqInsts
3103        }
3104   where
3105     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
3106
3107     complain_implic inst        -- Recurse!
3108       = reportNoInstances tidy_env 
3109                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
3110                           (tci_wanted inst)
3111
3112     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
3113         -- Right msg  => overlap message
3114         -- Left  inst => no instance
3115     check_overlap inst_envs wanted
3116         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
3117         | otherwise
3118         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
3119                 ([], _) -> Left wanted          -- No match
3120                 -- The case of exactly one match and no unifiers means a
3121                 -- successful lookup.  That can't happen here, because dicts
3122                 -- only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
3123                 ([_],[])
3124                  | debugIsOn -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
3125                 res -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
3126           where
3127             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
3128
3129     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
3130       = ASSERT( not (null matches) )
3131         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext (sLit "Overlapping instances for") 
3132                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
3133                 sep [ptext (sLit "Matching instances") <> colon,
3134                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
3135                 if not (isSingleton matches)
3136                 then    -- Two or more matches
3137                      empty
3138                 else    -- One match, plus some unifiers
3139                 ASSERT( not (null unifiers) )
3140                 parens (vcat [ptext (sLit "The choice depends on the instantiation of") <+>
3141                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
3142                               ptext (sLit "To pick the first instance above, use -XIncoherentInstances"),
3143                               ptext (sLit "when compiling the other instance declarations")])]
3144       where
3145         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
3146
3147     mk_eq_err :: Inst -> (TidyEnv, SDoc)
3148     mk_eq_err inst = misMatchMsg tidy_env (eqInstTys inst)
3149
3150     mk_no_inst_err insts
3151       | null insts = empty
3152
3153       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
3154         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
3155       = vcat [ addInstLoc insts $
3156                sep [ ptext (sLit "Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
3157                    , nest 2 $ ptext (sLit "from the context") <+> pprDictsTheta givens]
3158              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
3159
3160       | otherwise       -- Top level 
3161       = vcat [ addInstLoc insts $
3162                ptext (sLit "No instance") <> plural insts
3163                     <+> ptext (sLit "for") <+> pprDictsTheta insts
3164              , show_fixes fixes2 ]
3165
3166       where
3167         fix1 loc = sep [ ptext (sLit "add") <+> pprDictsTheta insts
3168                                  <+> ptext (sLit "to the context of"),
3169                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
3170                          -- I'm not sure it helps to add the location
3171                          -- nest 2 (ptext (sLit "at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
3172
3173         fixes2 | null instance_dicts = []
3174                | otherwise           = [sep [ptext (sLit "add an instance declaration for"),
3175                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
3176         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
3177                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
3178                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
3179
3180         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
3181         show_fixes []     = empty
3182         show_fixes (f:fs) = sep [ptext (sLit "Possible fix:"), 
3183                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext (sLit "or") <+>) fs))]
3184
3185 addTopAmbigErrs :: [Inst] -> TcRn ()
3186 addTopAmbigErrs dicts
3187 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
3188   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
3189                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
3190     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
3191   where
3192     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3193
3194     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
3195     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
3196     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
3197     
3198     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
3199     report pairs@((inst,tvs) : _) = do  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
3200           (tidy_env, mono_msg) <- mkMonomorphismMsg tidy_env tvs
3201           setSrcSpan (instSpan inst) $
3202                 -- the location of the first one will do for the err message
3203            addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
3204         where
3205           dicts = map fst pairs
3206           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
3207                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
3208                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
3209           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
3210     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
3211
3212
3213 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
3214 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
3215 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
3216 -- Try to identify the offending variable
3217 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
3218 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
3219   = do  { dflags <- getDOpts
3220         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
3221         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
3222   where
3223     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
3224         =  vcat [ptext (sLit "Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
3225                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
3226                 ptext (sLit "Use :print or :force to determine these types")]
3227     mk_msg _ []   = ptext (sLit "Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
3228                         -- This happens in things like
3229                         --      f x = show (read "foo")
3230                         -- where monomorphism doesn't play any role
3231     mk_msg dflags docs 
3232         = vcat [ptext (sLit "Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
3233                 nest 2 (vcat docs),
3234                 monomorphism_fix dflags]
3235
3236 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
3237 monomorphism_fix dflags
3238   = ptext (sLit "Probable fix:") <+> vcat
3239         [ptext (sLit "give these definition(s) an explicit type signature"),
3240          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
3241            then ptext (sLit "or use -XNoMonomorphismRestriction")
3242            else empty]  -- Only suggest adding "-XNoMonomorphismRestriction"
3243                         -- if it is not already set!
3244     
3245 warnDefault :: [(Inst, Class, Var)] -> Type -> TcM ()
3246 warnDefault ups default_ty = do
3247     warn_flag <- doptM Opt_WarnTypeDefaults
3248     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
3249   where
3250     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
3251
3252         -- Tidy them first
3253     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
3254     warn_msg  = vcat [ptext (sLit "Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
3255                                 quotes (ppr default_ty),
3256                       pprDictsInFull tidy_dicts]
3257
3258 reduceDepthErr :: Int -> [Inst] -> SDoc
3259 reduceDepthErr n stack
3260   = vcat [ptext (sLit "Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
3261           ptext (sLit "Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
3262           nest 4 (pprStack stack)]
3263
3264 pprStack :: [Inst] -> SDoc
3265 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
3266 \end{code}