Fix Trace #1494
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
4 %
5
6 TcSimplify
7
8 \begin{code}
9 module TcSimplify (
10         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
11         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
12         tcSimplifyRuleLhs, tcSimplifyIPs, 
13         tcSimplifySuperClasses,
14         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
15         tcSimplifyBracket, tcSimplifyCheckPat,
16
17         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
18         bindInstsOfLocalFuns, bindIrreds,
19     ) where
20
21 #include "HsVersions.h"
22
23 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyType )
24 import HsSyn
25
26 import TcRnMonad
27 import Inst
28 import TcEnv
29 import InstEnv
30 import TcGadt
31 import TcType
32 import TcMType
33 import TcIface
34 import Var
35 import Name
36 import NameSet
37 import Class
38 import FunDeps
39 import PrelInfo
40 import PrelNames
41 import Type
42 import TysWiredIn
43 import ErrUtils
44 import BasicTypes
45 import VarSet
46 import VarEnv
47 import FiniteMap
48 import Bag
49 import Outputable
50 import Maybes
51 import ListSetOps
52 import Util
53 import SrcLoc
54 import DynFlags
55
56 import Data.List
57 \end{code}
58
59
60 %************************************************************************
61 %*                                                                      *
62 \subsection{NOTES}
63 %*                                                                      *
64 %************************************************************************
65
66         --------------------------------------
67         Notes on functional dependencies (a bug)
68         --------------------------------------
69
70 Consider this:
71
72         class C a b | a -> b
73         class D a b | a -> b
74
75         instance D a b => C a b -- Undecidable 
76                                 -- (Not sure if it's crucial to this eg)
77         f :: C a b => a -> Bool
78         f _ = True
79         
80         g :: C a b => a -> Bool
81         g = f
82
83 Here f typechecks, but g does not!!  Reason: before doing improvement,
84 we reduce the (C a b1) constraint from the call of f to (D a b1).
85
86 Here is a more complicated example:
87
88 | > class Foo a b | a->b
89 | >
90 | > class Bar a b | a->b
91 | >
92 | > data Obj = Obj
93 | >
94 | > instance Bar Obj Obj
95 | >
96 | > instance (Bar a b) => Foo a b
97 | >
98 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
99 | > foo _ = "works"
100 | >
101 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
102 | > runFoo f = f Obj
103
104 | *Test> runFoo foo
105
106 | <interactive>:1:
107 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
108 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
109 |     Probable fix:
110 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
111 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
112 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
113
114 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
115 | function foo didn't ask for that... 
116
117 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
118
119         Given constraint        Foo a b
120         Solve constraint        Foo a b'
121
122 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
123 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
124         simplify constraints
125         apply improvement
126         and loop
127
128 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
129 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
130 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
131 from.
132
133 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
134 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
135
136 Note [Choosing which variables to quantify]
137 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
138 Suppose we are about to do a generalisation step.  We have in our hand
139
140         G       the environment
141         T       the type of the RHS
142         C       the constraints from that RHS
143
144 The game is to figure out
145
146         Q       the set of type variables over which to quantify
147         Ct      the constraints we will *not* quantify over
148         Cq      the constraints we will quantify over
149
150 So we're going to infer the type
151
152         forall Q. Cq => T
153
154 and float the constraints Ct further outwards.
155
156 Here are the things that *must* be true:
157
158  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
159  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
160
161  (A) says we can't quantify over a variable that's free in the environment. 
162  (B) says we must quantify over all the truly free variables in T, else 
163      we won't get a sufficiently general type.  
164
165 We do not *need* to quantify over any variable that is fixed by the
166 free vars of the environment G.
167
168         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
169
170 Example:        class H x y | x->y where ...
171
172         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
173                         T = c -> b
174
175         (A)  Q intersect {a} is empty
176         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
177
178         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
179
180 In particular, it's perfectly OK to quantify over more type variables
181 than strictly necessary; there is no need to quantify over 'b', since
182 it is determined by 'a' which is free in the envt, but it's perfectly
183 OK to do so.  However we must not quantify over 'a' itself.
184
185 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
186 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
187 constraints can get into Ct instead of Cq.  Here's a good way to
188 choose Q:
189
190         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
191
192 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
193 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
194 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
195 albeit perhaps too many.
196
197 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
198
199         class H x y | x->y where ...
200
201         T = c->c
202         C = (H c d)
203
204   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
205
206         forall c. H c d => c -> b
207
208   And then if the fn was called at several different c's, each of
209   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
210   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
211   everything that might be influenced by c.
212
213 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
214 all the functional dependencies yet:
215
216         class H x y | x->y where ...
217         instance H x y => Eq (T x y) where ...
218
219         T = c->c
220         C = (Eq (T c d))
221
222 Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
223 apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
224
225 There really isn't any point in quantifying over any more than
226 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
227 any other type variables.
228
229
230
231 -------------------------------------
232         Note [Ambiguity]
233 -------------------------------------
234
235 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
236
237         class K x
238         class H x y | x -> y
239         instance H x y => K (x,y)
240
241 Is this type ambiguous?
242         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
243
244 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
245 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
246 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
247 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
248
249 Here's another example: is this ambiguous?
250         forall a b. Eq (T b) => a -> a
251 Not if there's an insance decl (with no context)
252         instance Eq (T b) where ...
253
254 You may say of this example that we should use the instance decl right
255 away, but you can't always do that:
256
257         class J a b where ...
258         instance J Int b where ...
259
260         f :: forall a b. J a b => a -> a
261
262 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
263 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
264 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
265 when inferring a type for f.
266
267
268
269 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
270 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
271 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
272
273 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
274
275         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
276
277 (all tested before quantification).
278 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
279 in the environment, or by the variables in the type.
280
281 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
282
283         class J a b c | a b -> c
284         fv(G) = {a}
285
286 Is this ambiguous?
287         forall b c. (J a b c) => b -> b
288
289 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
290 do we see that c is fixed.
291
292 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
293 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
294 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
295 only issue a warning.
296
297
298 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
299
300         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
301
302 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
303 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
304 the nasty example?
305
306         class K x
307         class H x y | x -> y
308         instance H x y => K (x,y)
309
310 Is this type ambiguous?
311         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
312
313 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
314 is a "bubble" that's a set of constraints
315
316         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
317
318 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
319 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
320 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
321 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
322 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
323
324
325         --------------------------------------
326                 Notes on principal types
327         --------------------------------------
328
329     class C a where
330       op :: a -> a
331
332     f x = let g y = op (y::Int) in True
333
334 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
335 but we'll produce the non-principal type
336     f :: forall a. C Int => a -> a
337
338
339         --------------------------------------
340         The need for forall's in constraints
341         --------------------------------------
342
343 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
344
345   class C t where op :: t -> Bool
346   instance C [t] where op x = True
347
348   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
349   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
350
351 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
352 the pair on their right-hand sides.  And yet:
353
354   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
355   Hugs rejects q, but accepts p;
356   hbc rejects both p and q;
357   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
358
359 The type signature for f forces context reduction to take place, and
360 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
361 which in turn depends on which component of the pair the type checker
362 analyzes first.  
363
364 Solution: if y::m a, float out the constraints
365         Monad m, forall c. C (m c)
366 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
367
368
369         --------------------------------------
370                 Notes on implicit parameters
371         --------------------------------------
372
373 Note [Inheriting implicit parameters]
374 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
375 Consider this:
376
377         f x = (x::Int) + ?y
378
379 where f is *not* a top-level binding.
380 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
381 There are two types we might infer for f:
382
383         f :: Int -> Int
384
385 (so we get ?y from the context of f's definition), or
386
387         f :: (?y::Int) => Int -> Int
388
389 At first you might think the first was better, becuase then
390 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
391 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
392 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
393 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
394
395 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
396 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
397
398
399 Note [Implicit parameters and ambiguity] 
400 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
401 What type should we infer for this?
402         f x = (show ?y, x::Int)
403 Since we must quantify over the ?y, the most plausible type is
404         f :: (Show a, ?y::a) => Int -> (String, Int)
405 But notice that the type of the RHS is (String,Int), with no type 
406 varibables mentioned at all!  The type of f looks ambiguous.  But
407 it isn't, because at a call site we might have
408         let ?y = 5::Int in f 7
409 and all is well.  In effect, implicit parameters are, well, parameters,
410 so we can take their type variables into account as part of the
411 "tau-tvs" stuff.  This is done in the function 'FunDeps.grow'.
412
413
414 Question 2: type signatures
415 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
416 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
417 to quantify over implicit parameters.  For example:
418
419         (?x + 1) :: Int
420
421 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
422
423         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
424
425 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
426 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
427 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
428 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
429
430 What about when you supply a type signature for a binding?
431 Is it legal to give the following explicit, user type 
432 signature to f, thus:
433
434         f :: Int -> Int
435         f x = (x::Int) + ?y
436
437 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
438 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
439 Consider this:
440
441         (let f x = (x::Int) + ?y
442          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
443
444                 returns (3+6, 3+5)
445 vs
446         (let f :: Int -> Int
447              f x = x + ?y
448          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
449
450                 returns (3+6, 3+6)
451
452 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
453 dynamic semantics.
454
455 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
456 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
457 change the typing you may change the semantics.
458
459 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
460 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
461 rule: 
462
463         a signature does not need to quantify over implicit params.
464
465 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
466 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
467 params for the reasons mentioned above.]
468
469 But that raises a new question.  Consider 
470
471         Given (signature)       ?x::Int
472         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
473
474 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
475 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
476 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
477 to float a constraint that
478         neither mentions any of the quantified type variables
479         nor any of the quantified implicit parameters
480
481 See the predicate isFreeWhenChecking.
482
483
484 Question 3: monomorphism
485 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
486 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
487
488         z = (x::Int) + ?y
489
490 The argument above suggests that we *must* generalise
491 over the ?y parameter, to get
492         z :: (?y::Int) => Int,
493 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
494         z :: Int.
495 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
496
497         let z = x + ?y in z+z
498
499 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
500 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
501
502
503 Question 4: top level
504 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
505 At the top level, monomorhism makes no sense at all.
506
507     module Main where
508         main = let ?x = 5 in print foo
509
510         foo = woggle 3
511
512         woggle :: (?x :: Int) => Int -> Int
513         woggle y = ?x + y
514
515 We definitely don't want (foo :: Int) with a top-level implicit parameter
516 (?x::Int) becuase there is no way to bind it.  
517
518
519 Possible choices
520 ~~~~~~~~~~~~~~~~
521 (A) Always generalise over implicit parameters
522     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
523         be generalised
524
525     Consequences:
526         * Inlining remains valid
527         * No unexpected loss of sharing
528         * But simple bindings like
529                 z = ?y + 1
530           will be rejected, unless you add an explicit type signature
531           (to avoid the monomorphism restriction)
532                 z :: (?y::Int) => Int
533                 z = ?y + 1
534           This seems unacceptable
535
536 (B) Monomorphism restriction "wins"
537     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
538         be generalised
539     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
540         that fall under the monomorphism restriction
541
542     Consequences
543         * Inlining isn't valid in general
544         * No unexpected loss of sharing
545         * Simple bindings like
546                 z = ?y + 1
547           accepted (get value of ?y from binding site)
548
549 (C) Always generalise over implicit parameters
550     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
551         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
552     Consequences
553         * Inlining remains valid
554         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
555         * Simple bindings like
556                 z = ?y + 1
557           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
558
559
560 Discussion
561 ~~~~~~~~~~
562 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
563 decide which we want to do.
564
565 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
566
567         z = (x::Int) + ?y
568
569 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
570 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
571 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
572 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
573 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
574 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
575
576 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
577 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
578 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
579 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
580 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
581 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
582 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
583 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
584 restriction altogether.
585
586 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
587
588
589
590 %************************************************************************
591 %*                                                                      *
592 \subsection{tcSimplifyInfer}
593 %*                                                                      *
594 %************************************************************************
595
596 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
597
598     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
599
600     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
601        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
602
603     3. Try improvement, using functional dependencies
604
605     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
606        (Unification can change the result of 'grow'.)
607
608 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
609 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
610 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
611 type variables than we absolutely have to.
612
613 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
614 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
615
616         class C x y | x->y where ...
617
618 and tcSimplify is called with:
619         (C Int a, C Int b)
620 Then improvement unifies a with b, giving
621         (C Int a, C Int a)
622
623 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
624 again.
625
626
627 \begin{code}
628 tcSimplifyInfer
629         :: SDoc
630         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
631         -> [Inst]               -- Wanted
632         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
633                 [Inst],         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
634                 TcDictBinds)    -- Bindings
635         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
636 \end{code}
637
638
639 \begin{code}
640 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted
641   = do  { tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
642         ; wanted' <- mappM zonkInst wanted      -- Zonk before deciding quantified tyvars
643         ; gbl_tvs  <- tcGetGlobalTyVars
644         ; let preds = fdPredsOfInsts wanted'
645               qtvs  = grow preds tau_tvs' `minusVarSet` oclose preds gbl_tvs
646                         -- See Note [Choosing which variables to quantify]
647
648                 -- To maximise sharing, remove from consideration any 
649                 -- constraints that don't mention qtvs at all
650         ; let (free1, bound) = partition (isFreeWhenInferring qtvs) wanted'
651         ; extendLIEs free1
652
653                 -- To make types simple, reduce as much as possible
654         ; traceTc (text "infer" <+> (ppr preds $$ ppr (grow preds tau_tvs') $$ ppr gbl_tvs $$ 
655                    ppr (oclose preds gbl_tvs) $$ ppr free1 $$ ppr bound))
656         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc bound
657
658                 -- Note [Inference and implication constraints]
659         ; let want_dict d = tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` qtvs
660         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc want_dict irreds1
661
662                 -- By now improvment may have taken place, and we must *not*
663                 -- quantify over any variable free in the environment
664                 -- tc137 (function h inside g) is an example
665         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
666         ; qtvs1 <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems qtvs)
667         ; qtvs2 <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems (qtvs1 `minusVarSet` gbl_tvs))
668
669                 -- Do not quantify over constraints that *now* do not
670                 -- mention quantified type variables, because they are
671                 -- simply ambiguous (or might be bound further out).  Example:
672                 --      f :: Eq b => a -> (a, b)
673                 --      g x = fst (f x)
674                 -- From the RHS of g we get the MethodInst f77 :: alpha -> (alpha, beta)
675                 -- We decide to quantify over 'alpha' alone, but free1 does not include f77
676                 -- because f77 mentions 'alpha'.  Then reducing leaves only the (ambiguous)
677                 -- constraint (Eq beta), which we dump back into the free set
678                 -- See test tcfail181
679         ; let (free3, irreds3) = partition (isFreeWhenInferring (mkVarSet qtvs2)) irreds2
680         ; extendLIEs free3
681         
682                 -- We can't abstract over any remaining unsolved 
683                 -- implications so instead just float them outwards. Ugh.
684         ; let (q_dicts, implics) = partition isDict irreds3
685         ; loc <- getInstLoc (ImplicOrigin doc)
686         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs2 q_dicts implics
687
688         ; return (qtvs2, q_dicts, binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` implic_bind) }
689         -- NB: when we are done, we might have some bindings, but
690         -- the final qtvs might be empty.  See Note [NO TYVARS] below.
691
692 approximateImplications :: SDoc -> (Inst -> Bool) -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
693 -- Note [Inference and implication constraints]
694 -- Given a bunch of Dict and ImplicInsts, try to approximate the implications by
695 --      - fetching any dicts inside them that are free
696 --      - using those dicts as cruder constraints, to solve the implications
697 --      - returning the extra ones too
698
699 approximateImplications doc want_dict irreds
700   | null extra_dicts 
701   = return (irreds, emptyBag)
702   | otherwise
703   = do  { extra_dicts' <- mapM cloneDict extra_dicts
704         ; tryHardCheckLoop doc (extra_dicts' ++ irreds) }
705                 -- By adding extra_dicts', we make them 
706                 -- available to solve the implication constraints
707   where 
708     extra_dicts = get_dicts (filter isImplicInst irreds)
709
710     get_dicts :: [Inst] -> [Inst]       -- Returns only Dicts
711         -- Find the wanted constraints in implication constraints that satisfy
712         -- want_dict, and are not bound by forall's in the constraint itself
713     get_dicts ds = concatMap get_dict ds
714
715     get_dict d@(Dict {}) | want_dict d = [d]
716                          | otherwise   = []
717     get_dict (ImplicInst {tci_tyvars = tvs, tci_wanted = wanteds})
718         = [ d | let tv_set = mkVarSet tvs
719               , d <- get_dicts wanteds 
720               , not (tyVarsOfInst d `intersectsVarSet` tv_set)]
721     get_dict other = pprPanic "approximateImplications" (ppr other)
722 \end{code}
723
724 Note [Inference and implication constraints]
725 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
726 Suppose we have a wanted implication constraint (perhaps arising from
727 a nested pattern match) like
728         C a => D [a]
729 and we are now trying to quantify over 'a' when inferring the type for
730 a function.  In principle it's possible that there might be an instance
731         instance (C a, E a) => D [a]
732 so the context (E a) would suffice.  The Right Thing is to abstract over
733 the implication constraint, but we don't do that (a) because it'll be
734 surprising to programmers and (b) because we don't have the machinery to deal
735 with 'given' implications.
736
737 So our best approximation is to make (D [a]) part of the inferred
738 context, so we can use that to discharge the implication. Hence
739 the strange function get_dictsin approximateImplications.
740
741 The common cases are more clear-cut, when we have things like
742         forall a. C a => C b
743 Here, abstracting over (C b) is not an approximation at all -- but see
744 Note [Freeness and implications].
745  
746 See Trac #1430 and test tc228.
747
748
749 \begin{code}
750 -----------------------------------------------------------
751 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
752 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
753 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
754 tcSimplifyInferCheck
755          :: InstLoc
756          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
757          -> [Inst]              -- Given
758          -> [Inst]              -- Wanted
759          -> TcM ([TyVar],       -- Fully zonked, and quantified
760                  TcDictBinds)   -- Bindings
761
762 tcSimplifyInferCheck loc tau_tvs givens wanteds
763   = do  { (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
764
765         -- Figure out which type variables to quantify over
766         -- You might think it should just be the signature tyvars,
767         -- but in bizarre cases you can get extra ones
768         --      f :: forall a. Num a => a -> a
769         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
770         --      g a b = (b,a)
771         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
772         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
773         -- f isn't quantified over b.
774         ; let all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
775         ; all_tvs <- zonkTcTyVarsAndFV all_tvs
776         ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
777         ; let qtvs = varSetElems (all_tvs `minusVarSet` gbl_tvs)
778                 -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
779                 -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
780                 -- dictionaries, we quantify over
781
782         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars qtvs
783
784                 -- Now we are back to normal (c.f. tcSimplCheck)
785         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs' givens irreds
786
787         ; return (qtvs', binds `unionBags` implic_bind) }
788 \end{code}
789
790 Note [Squashing methods]
791 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
792 Be careful if you want to float methods more:
793         truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
794 From an application (truncate f i) we get
795         t1 = truncate at f
796         t2 = t1 at i
797 If we have also have a second occurrence of truncate, we get
798         t3 = truncate at f
799         t4 = t3 at i
800 When simplifying with i,f free, we might still notice that
801 t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
802 may continue to float out!
803
804
805 Note [NO TYVARS]
806 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
807         class Y a b | a -> b where
808             y :: a -> X b
809         
810         instance Y [[a]] a where
811             y ((x:_):_) = X x
812         
813         k :: X a -> X a -> X a
814
815         g :: Num a => [X a] -> [X a]
816         g xs = h xs
817             where
818             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
819
820 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
821 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
822 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
823 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
824 polymorphic in.  
825
826 The net effect of [NO TYVARS] 
827
828 \begin{code}
829 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
830 isFreeWhenInferring qtvs inst
831   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst  -- Constrains no quantified vars
832   && isInheritableInst inst     -- and no implicit parameter involved
833                                 --   see Note [Inheriting implicit parameters]
834
835 {-      No longer used (with implication constraints)
836 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
837                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
838                    -> Inst -> Bool
839 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
840   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
841   && isFreeWrtIPs    ips inst
842 -}
843
844 isFreeWrtTyVars qtvs inst = tyVarsOfInst inst `disjointVarSet` qtvs
845 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
846 \end{code}
847
848
849 %************************************************************************
850 %*                                                                      *
851 \subsection{tcSimplifyCheck}
852 %*                                                                      *
853 %************************************************************************
854
855 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
856 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
857
858 \begin{code}
859 -----------------------------------------------------------
860 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
861 -- class decls, instance decls etc.
862 tcSimplifyCheck :: InstLoc
863                 -> [TcTyVar]            -- Quantify over these
864                 -> [Inst]               -- Given
865                 -> [Inst]               -- Wanted
866                 -> TcM TcDictBinds      -- Bindings
867 tcSimplifyCheck loc qtvs givens wanteds 
868   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
869     do  { (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
870         ; implic_bind <- bindIrreds loc qtvs givens irreds
871         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
872
873 -----------------------------------------------------------
874 -- tcSimplifyCheckPat is used for existential pattern match
875 tcSimplifyCheckPat :: InstLoc
876                    -> [CoVar] -> Refinement
877                    -> [TcTyVar]         -- Quantify over these
878                    -> [Inst]            -- Given
879                    -> [Inst]            -- Wanted
880                    -> TcM TcDictBinds   -- Bindings
881 tcSimplifyCheckPat loc co_vars reft qtvs givens wanteds
882   = ASSERT( all isTcTyVar qtvs && all isSkolemTyVar qtvs )
883     do  { (irreds, binds) <- gentleCheckLoop loc givens wanteds
884         ; implic_bind <- bindIrredsR loc qtvs co_vars reft 
885                                     givens irreds
886         ; return (binds `unionBags` implic_bind) }
887
888 -----------------------------------------------------------
889 bindIrreds :: InstLoc -> [TcTyVar]
890            -> [Inst] -> [Inst]
891            -> TcM TcDictBinds
892 bindIrreds loc qtvs givens irreds 
893   = bindIrredsR loc qtvs [] emptyRefinement givens irreds
894
895 bindIrredsR :: InstLoc -> [TcTyVar] -> [CoVar]
896             -> Refinement -> [Inst] -> [Inst]
897             -> TcM TcDictBinds  
898 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
899 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
900 bindIrredsR loc qtvs co_vars reft givens irreds
901   | null irreds
902   = return emptyBag
903   | otherwise
904   = do  { let givens' = filter isDict givens
905                 -- The givens can include methods
906                 -- See Note [Pruning the givens in an implication constraint]
907
908            -- If there are no 'givens' *and* the refinement is empty
909            -- (the refinement is like more givens), then it's safe to 
910            -- partition the 'wanteds' by their qtvs, thereby trimming irreds
911            -- See Note [Freeness and implications]
912         ; irreds' <- if null givens' && isEmptyRefinement reft
913                      then do
914                         { let qtv_set = mkVarSet qtvs
915                               (frees, real_irreds) = partition (isFreeWrtTyVars qtv_set) irreds
916                         ; extendLIEs frees
917                         ; return real_irreds }
918                      else return irreds
919         
920         ; let all_tvs = qtvs ++ co_vars -- Abstract over all these
921         ; (implics, bind) <- makeImplicationBind loc all_tvs reft givens' irreds'
922                         -- This call does the real work
923                         -- If irreds' is empty, it does something sensible
924         ; extendLIEs implics
925         ; return bind } 
926
927
928 makeImplicationBind :: InstLoc -> [TcTyVar] -> Refinement
929                     -> [Inst] -> [Inst]
930                     -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
931 -- Make a binding that binds 'irreds', by generating an implication
932 -- constraint for them, *and* throwing the constraint into the LIE
933 -- The binding looks like
934 --      (ir1, .., irn) = f qtvs givens
935 -- where f is (evidence for) the new implication constraint
936 --      f :: forall qtvs. {reft} givens => (ir1, .., irn)
937 -- qtvs includes coercion variables
938 --
939 -- This binding must line up the 'rhs' in reduceImplication
940 makeImplicationBind loc all_tvs reft
941                     givens      -- Guaranteed all Dicts
942                     irreds
943  | null irreds                  -- If there are no irreds, we are done
944  = return ([], emptyBag)
945  | otherwise                    -- Otherwise we must generate a binding
946  = do   { uniq <- newUnique 
947         ; span <- getSrcSpanM
948         ; let name = mkInternalName uniq (mkVarOcc "ic") span
949               implic_inst = ImplicInst { tci_name = name, tci_reft = reft,
950                                          tci_tyvars = all_tvs, 
951                                          tci_given = givens,
952                                          tci_wanted = irreds, tci_loc = loc }
953
954         ; let n_irreds = length irreds
955               irred_ids = map instToId irreds
956               tup_ty = mkTupleTy Boxed n_irreds (map idType irred_ids)
957               pat = TuplePat (map nlVarPat irred_ids) Boxed tup_ty
958               rhs = L span (mkHsWrap co (HsVar (instToId implic_inst)))
959               co  = mkWpApps (map instToId givens) <.> mkWpTyApps (mkTyVarTys all_tvs)
960               bind | n_irreds==1 = VarBind (head irred_ids) rhs
961                    | otherwise   = PatBind { pat_lhs = L span pat, 
962                                              pat_rhs = unguardedGRHSs rhs, 
963                                              pat_rhs_ty = tup_ty,
964                                              bind_fvs = placeHolderNames }
965         ; -- pprTrace "Make implic inst" (ppr implic_inst) $
966           return ([implic_inst], unitBag (L span bind)) }
967
968 -----------------------------------------------------------
969 tryHardCheckLoop :: SDoc
970              -> [Inst]                  -- Wanted
971              -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
972
973 tryHardCheckLoop doc wanteds
974   = checkLoop (mkRedEnv doc try_me []) wanteds
975   where
976     try_me inst = ReduceMe AddSCs
977         -- Here's the try-hard bit
978
979 -----------------------------------------------------------
980 gentleCheckLoop :: InstLoc
981                -> [Inst]                -- Given
982                -> [Inst]                -- Wanted
983                -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
984
985 gentleCheckLoop inst_loc givens wanteds
986   = checkLoop env wanteds
987   where
988     env = mkRedEnv (pprInstLoc inst_loc) try_me givens
989
990     try_me inst | isMethodOrLit inst = ReduceMe AddSCs
991                 | otherwise          = Stop
992         -- When checking against a given signature 
993         -- we MUST be very gentle: Note [Check gently]
994 \end{code}
995
996 Note [Check gently]
997 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
998 We have to very careful about not simplifying too vigorously
999 Example:  
1000   data T a where
1001     MkT :: a -> T [a]
1002
1003   f :: Show b => T b -> b
1004   f (MkT x) = show [x]
1005
1006 Inside the pattern match, which binds (a:*, x:a), we know that
1007         b ~ [a]
1008 Hence we have a dictionary for Show [a] available; and indeed we 
1009 need it.  We are going to build an implication contraint
1010         forall a. (b~[a]) => Show [a]
1011 Later, we will solve this constraint using the knowledg e(Show b)
1012         
1013 But we MUST NOT reduce (Show [a]) to (Show a), else the whole
1014 thing becomes insoluble.  So we simplify gently (get rid of literals
1015 and methods only, plus common up equal things), deferring the real
1016 work until top level, when we solve the implication constraint
1017 with tryHardCheckLooop.
1018
1019
1020 \begin{code}
1021 -----------------------------------------------------------
1022 checkLoop :: RedEnv
1023           -> [Inst]                     -- Wanted
1024           -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1025 -- Precondition: givens are completely rigid
1026 -- Postcondition: returned Insts are zonked
1027
1028 checkLoop env wanteds
1029   = do { -- Givens are skolems, so no need to zonk them
1030          wanteds' <- mappM zonkInst wanteds
1031
1032         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1033
1034         ; if not improved then
1035              return (irreds, binds)
1036           else do
1037
1038         -- If improvement did some unification, we go round again.
1039         -- We start again with irreds, not wanteds
1040         -- Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
1041         -- which might have been unified, so we'd get an infinite loop
1042         -- if we started again with wanteds!  See Note [LOOP]
1043         { (irreds1, binds1) <- checkLoop env irreds
1044         ; return (irreds1, binds `unionBags` binds1) } }
1045 \end{code}
1046
1047 Note [LOOP]
1048 ~~~~~~~~~~~
1049         class If b t e r | b t e -> r
1050         instance If T t e t
1051         instance If F t e e
1052         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
1053         instance Lte Z b T
1054         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
1055
1056 Wanted: Max Z (S x) y
1057
1058 Then we'll reduce using the Max instance to:
1059         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
1060 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
1061 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
1062 with (Max Z (S x) y)!
1063
1064
1065
1066 %************************************************************************
1067 %*                                                                      *
1068                 tcSimplifySuperClasses
1069 %*                                                                      *
1070 %************************************************************************
1071
1072 Note [SUPERCLASS-LOOP 1]
1073 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1074 We have to be very, very careful when generating superclasses, lest we
1075 accidentally build a loop. Here's an example:
1076
1077   class S a
1078
1079   class S a => C a where { opc :: a -> a }
1080   class S b => D b where { opd :: b -> b }
1081   
1082   instance C Int where
1083      opc = opd
1084   
1085   instance D Int where
1086      opd = opc
1087
1088 From (instance C Int) we get the constraint set {ds1:S Int, dd:D Int}
1089 Simplifying, we may well get:
1090         $dfCInt = :C ds1 (opd dd)
1091         dd  = $dfDInt
1092         ds1 = $p1 dd
1093 Notice that we spot that we can extract ds1 from dd.  
1094
1095 Alas!  Alack! We can do the same for (instance D Int):
1096
1097         $dfDInt = :D ds2 (opc dc)
1098         dc  = $dfCInt
1099         ds2 = $p1 dc
1100
1101 And now we've defined the superclass in terms of itself.
1102
1103 Solution: never generate a superclass selectors at all when
1104 satisfying the superclass context of an instance declaration.
1105
1106 Two more nasty cases are in
1107         tcrun021
1108         tcrun033
1109
1110 \begin{code}
1111 tcSimplifySuperClasses 
1112         :: InstLoc 
1113         -> [Inst]       -- Given 
1114         -> [Inst]       -- Wanted
1115         -> TcM TcDictBinds
1116 tcSimplifySuperClasses loc givens sc_wanteds
1117   = do  { (irreds, binds1) <- checkLoop env sc_wanteds
1118         ; let (tidy_env, tidy_irreds) = tidyInsts irreds
1119         ; reportNoInstances tidy_env (Just (loc, givens)) tidy_irreds
1120         ; return binds1 }
1121   where
1122     env = mkRedEnv (pprInstLoc loc) try_me givens
1123     try_me inst = ReduceMe NoSCs
1124         -- Like tryHardCheckLoop, but with NoSCs
1125 \end{code}
1126
1127
1128 %************************************************************************
1129 %*                                                                      *
1130 \subsection{tcSimplifyRestricted}
1131 %*                                                                      *
1132 %************************************************************************
1133
1134 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
1135 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
1136
1137 Eg1:    id = \x -> x
1138         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
1139         
1140 Eg2:    eq = (==)
1141         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
1142         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
1143
1144 So, assume:
1145         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
1146         RHS has constraints 'wanteds'
1147
1148 Plan A (simple)
1149   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
1150   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
1151   where we have         instance Monad (ST s) where...
1152   so there's no need to be monomorphic in s!
1153
1154   Also the constraint might be a method constraint,
1155   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
1156           op :: Num a => a -> b -> a
1157   Here, b is unconstrained.  A good example would be
1158         foo = op (3::Int)
1159   We want to infer the polymorphic type
1160         foo :: forall b. b -> b
1161
1162
1163 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
1164   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1165   with Plan A's problem).  Then set
1166         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1167
1168   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1169   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1170   The reasons for this is to maximise sharing.
1171
1172   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
1173   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
1174   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
1175   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
1176   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
1177   constraint (Baz [a] b) being simplified (e.g. via instance Baz [a] T where {..}) 
1178   and that in turn breaks the invariant that no constraints are quantified over.
1179
1180   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
1181   the problem.
1182
1183
1184 Plan C (brutal)
1185   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1186   with Plan A's problem).  Then set
1187         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1188   Return the bindings from Step 1.
1189   
1190
1191 A note about Plan C (arising from "bug" reported by George Russel March 2004)
1192 Consider this:
1193
1194       instance (HasBinary ty IO) => HasCodedValue ty
1195
1196       foo :: HasCodedValue a => String -> IO a
1197
1198       doDecodeIO :: HasCodedValue a => () -> () -> IO a
1199       doDecodeIO codedValue view  
1200         = let { act = foo "foo" } in  act
1201
1202 You might think this should work becuase the call to foo gives rise to a constraint
1203 (HasCodedValue t), which can be satisfied by the type sig for doDecodeIO.  But the
1204 restricted binding act = ... calls tcSimplifyRestricted, and PlanC simplifies the
1205 constraint using the (rather bogus) instance declaration, and now we are stuffed.
1206
1207 I claim this is not really a bug -- but it bit Sergey as well as George.  So here's
1208 plan D
1209
1210
1211 Plan D (a variant of plan B)
1212   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
1213   with Plan A's problem), BUT DO NO IMPROVEMENT.  Then set
1214         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
1215
1216   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
1217   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
1218
1219   The point here is that it's generally OK to have too few qtvs; that is,
1220   to make the thing more monomorphic than it could be.  We don't want to
1221   do that in the common cases, but in wierd cases it's ok: the programmer
1222   can always add a signature.  
1223
1224   Too few qtvs => too many wanteds, which is what happens if you do less
1225   improvement.
1226
1227
1228 \begin{code}
1229 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
1230                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
1231         :: SDoc
1232         -> TopLevelFlag
1233         -> [Name]               -- Things bound in this group
1234         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
1235         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
1236         -> TcM ([TyVar],        -- Tyvars to quantify (zonked and quantified)
1237                 TcDictBinds)    -- Bindings
1238         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
1239         -- quantify over; by definition there are none.
1240         -- They are all thrown back in the LIE
1241
1242 tcSimplifyRestricted doc top_lvl bndrs tau_tvs wanteds
1243         -- Zonk everything in sight
1244   = do  { wanteds' <- mappM zonkInst wanteds
1245
1246         -- 'ReduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
1247         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
1248         -- variables as possible, and we don't want to stop
1249         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
1250         -- immediately, with no constraint on s.
1251         --
1252         -- BUT do no improvement!  See Plan D above
1253         -- HOWEVER, some unification may take place, if we instantiate
1254         --          a method Inst with an equality constraint
1255         ; let env = mkNoImproveRedEnv doc (\i -> ReduceMe AddSCs)
1256         ; (_imp, _binds, constrained_dicts) <- reduceContext env wanteds'
1257
1258         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
1259         ; tau_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)
1260         ; gbl_tvs' <- tcGetGlobalTyVars
1261         ; constrained_dicts' <- mappM zonkInst constrained_dicts
1262
1263         ; let qtvs1 = tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs'
1264                                 -- As in tcSimplifyInfer
1265
1266                 -- Do not quantify over constrained type variables:
1267                 -- this is the monomorphism restriction
1268               constrained_tvs' = tyVarsOfInsts constrained_dicts'
1269               qtvs = qtvs1 `minusVarSet` constrained_tvs'
1270               pp_bndrs = pprWithCommas (quotes . ppr) bndrs
1271
1272         -- Warn in the mono
1273         ; warn_mono <- doptM Opt_WarnMonomorphism
1274         ; warnTc (warn_mono && (constrained_tvs' `intersectsVarSet` qtvs1))
1275                  (vcat[ ptext SLIT("the Monomorphism Restriction applies to the binding")
1276                                 <> plural bndrs <+> ptext SLIT("for") <+> pp_bndrs,
1277                         ptext SLIT("Consider giving a type signature for") <+> pp_bndrs])
1278
1279         ; traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
1280                 pprInsts wanteds, pprInsts constrained_dicts',
1281                 ppr _binds,
1282                 ppr constrained_tvs', ppr tau_tvs', ppr qtvs ])
1283
1284         -- The first step may have squashed more methods than
1285         -- necessary, so try again, this time more gently, knowing the exact
1286         -- set of type variables to quantify over.
1287         --
1288         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
1289         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
1290         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
1291         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
1292         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
1293         --
1294         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
1295         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
1296         -- just to float all constraints
1297         --
1298         -- At top level, we *do* squash methods becuase we want to 
1299         -- expose implicit parameters to the test that follows
1300         ; let is_nested_group = isNotTopLevel top_lvl
1301               try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs inst,
1302                            (is_nested_group || isDict inst) = Stop
1303                           | otherwise            = ReduceMe AddSCs
1304               env = mkNoImproveRedEnv doc try_me
1305         ; (_imp, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1306
1307         -- See "Notes on implicit parameters, Question 4: top level"
1308         ; ASSERT( all (isFreeWrtTyVars qtvs) irreds )   -- None should be captured
1309           if is_nested_group then
1310                 extendLIEs irreds
1311           else do { let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds
1312                   ; addTopIPErrs bndrs bad_ips
1313                   ; extendLIEs non_ips }
1314
1315         ; qtvs' <- zonkQuantifiedTyVars (varSetElems qtvs)
1316         ; return (qtvs', binds) }
1317 \end{code}
1318
1319
1320 %************************************************************************
1321 %*                                                                      *
1322                 tcSimplifyRuleLhs
1323 %*                                                                      *
1324 %************************************************************************
1325
1326 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
1327 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
1328 as the available stuff for the RHS of the rule.
1329
1330 Example.  Consider the following left-hand side of a rule
1331         
1332         f (x == y) (y > z) = ...
1333
1334 If we typecheck this expression we get constraints
1335
1336         d1 :: Ord a, d2 :: Eq a
1337
1338 We do NOT want to "simplify" to the LHS
1339
1340         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a.
1341           f ((==) (eqFromOrd d1) x y) ((>) d1 y z) = ...
1342
1343 Instead we want 
1344
1345         forall x::a, y::a, z::a, d1::Ord a, d2::Eq a.
1346           f ((==) d2 x y) ((>) d1 y z) = ...
1347
1348 Here is another example:
1349
1350         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
1351         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
1352
1353 In the rule, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But
1354 we *dont* want to get
1355
1356         forall dIntegralInt.
1357            fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
1358
1359 because the scsel will mess up RULE matching.  Instead we want
1360
1361         forall dIntegralInt, dNumInt.
1362           fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1363
1364 Even if we have 
1365
1366         g (x == y) (y == z) = ..
1367
1368 where the two dictionaries are *identical*, we do NOT WANT
1369
1370         forall x::a, y::a, z::a, d1::Eq a
1371           f ((==) d1 x y) ((>) d1 y z) = ...
1372
1373 because that will only match if the dict args are (visibly) equal.
1374 Instead we want to quantify over the dictionaries separately.
1375
1376 In short, tcSimplifyRuleLhs must *only* squash LitInst and MethInts, leaving
1377 all dicts unchanged, with absolutely no sharing.  It's simpler to do this
1378 from scratch, rather than further parameterise simpleReduceLoop etc
1379
1380 \begin{code}
1381 tcSimplifyRuleLhs :: [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
1382 tcSimplifyRuleLhs wanteds
1383   = go [] emptyBag wanteds
1384   where
1385     go dicts binds []
1386         = return (dicts, binds)
1387     go dicts binds (w:ws)
1388         | isDict w
1389         = go (w:dicts) binds ws
1390         | otherwise
1391         = do { w' <- zonkInst w  -- So that (3::Int) does not generate a call
1392                                  -- to fromInteger; this looks fragile to me
1393              ; lookup_result <- lookupSimpleInst w'
1394              ; case lookup_result of
1395                  GenInst ws' rhs -> go dicts (addBind binds (instToId w) rhs) (ws' ++ ws)
1396                  NoInstance      -> pprPanic "tcSimplifyRuleLhs" (ppr w)
1397           }
1398 \end{code}
1399
1400 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1401 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1402 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1403 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1404 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1405 this bracket again at its usage site.
1406
1407 \begin{code}
1408 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1409 tcSimplifyBracket wanteds
1410   = do  { tryHardCheckLoop doc wanteds
1411         ; return () }
1412   where
1413     doc = text "tcSimplifyBracket"
1414 \end{code}
1415
1416
1417 %************************************************************************
1418 %*                                                                      *
1419 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1420 %*                                                                      *
1421 %************************************************************************
1422
1423 When we have
1424         let ?x = R in B
1425
1426 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1427 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1428
1429 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1430
1431         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1432         let ?x = 3 in f 'c'
1433
1434 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1435 force the binding for ?x to be of type Int.
1436
1437 \begin{code}
1438 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1439               -> [Inst]         -- Wanted
1440               -> TcM TcDictBinds
1441         -- We need a loop so that we do improvement, and then
1442         -- (next time round) generate a binding to connect the two
1443         --      let ?x = e in ?x
1444         -- Here the two ?x's have different types, and improvement 
1445         -- makes them the same.
1446
1447 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1448   = do  { wanteds'   <- mappM zonkInst wanteds
1449         ; given_ips' <- mappM zonkInst given_ips
1450                 -- Unusually for checking, we *must* zonk the given_ips
1451
1452         ; let env = mkRedEnv doc try_me given_ips'
1453         ; (improved, binds, irreds) <- reduceContext env wanteds'
1454
1455         ; if not improved then 
1456                 ASSERT( all is_free irreds )
1457                 do { extendLIEs irreds
1458                    ; return binds }
1459           else
1460                 tcSimplifyIPs given_ips wanteds }
1461   where
1462     doc    = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1463     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1464     is_free inst = isFreeWrtIPs ip_set inst
1465
1466         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1467     try_me inst | is_free inst = Stop
1468                 | otherwise    = ReduceMe NoSCs
1469 \end{code}
1470
1471
1472 %************************************************************************
1473 %*                                                                      *
1474 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1475 %*                                                                      *
1476 %************************************************************************
1477
1478 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1479 For example, we might have...
1480 \begin{verbatim}
1481 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1482     f.1 = f Int     -- two instances of f
1483     f.2 = f Float
1484  in
1485     (f.1 5, f.2 6.7)
1486 \end{verbatim}
1487 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1488 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1489 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1490 there, they would have unresolvable references to @f@.
1491
1492 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1493 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1494 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1495 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1496
1497 \begin{code}
1498 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcDictBinds
1499 -- Simlifies only MethodInsts, and generate only bindings of form 
1500 --      fm = f tys dicts
1501 -- We're careful not to even generate bindings of the form
1502 --      d1 = d2
1503 -- You'd think that'd be fine, but it interacts with what is
1504 -- arguably a bug in Match.tidyEqnInfo (see notes there)
1505
1506 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1507   | null overloaded_ids
1508         -- Common case
1509   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1510     returnM emptyLHsBinds
1511
1512   | otherwise
1513   = do  { (irreds, binds) <- checkLoop env for_me
1514         ; extendLIEs not_for_me 
1515         ; extendLIEs irreds
1516         ; return binds }
1517   where
1518     env = mkRedEnv doc try_me []
1519     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1520     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1521     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1522     (for_me, not_for_me) = partition (isMethodFor overloaded_set) wanteds
1523
1524     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1525                                                 -- so it's worth building a set, so that
1526                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1527     try_me inst | isMethod inst = ReduceMe NoSCs
1528                 | otherwise     = Stop
1529 \end{code}
1530
1531
1532 %************************************************************************
1533 %*                                                                      *
1534 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1535 %*                                                                      *
1536 %************************************************************************
1537
1538 The main control over context reduction is here
1539
1540 \begin{code}
1541 data RedEnv 
1542   = RedEnv { red_doc    :: SDoc                 -- The context
1543            , red_try_me :: Inst -> WhatToDo
1544            , red_improve :: Bool                -- True <=> do improvement
1545            , red_givens :: [Inst]               -- All guaranteed rigid
1546                                                 -- Always dicts
1547                                                 -- but see Note [Rigidity]
1548            , red_stack  :: (Int, [Inst])        -- Recursion stack (for err msg)
1549                                                 -- See Note [RedStack]
1550   }
1551
1552 -- Note [Rigidity]
1553 -- The red_givens are rigid so far as cmpInst is concerned.
1554 -- There is one case where they are not totally rigid, namely in tcSimplifyIPs
1555 --      let ?x = e in ...
1556 -- Here, the given is (?x::a), where 'a' is not necy a rigid type
1557 -- But that doesn't affect the comparison, which is based only on mame.
1558
1559 -- Note [RedStack]
1560 -- The red_stack pair (n,insts) pair is just used for error reporting.
1561 -- 'n' is always the depth of the stack.
1562 -- The 'insts' is the stack of Insts being reduced: to produce X
1563 -- I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1564
1565
1566 mkRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> [Inst] -> RedEnv
1567 mkRedEnv doc try_me givens
1568   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1569              red_givens = givens, red_stack = (0,[]),
1570              red_improve = True }       
1571
1572 mkNoImproveRedEnv :: SDoc -> (Inst -> WhatToDo) -> RedEnv
1573 -- Do not do improvement; no givens
1574 mkNoImproveRedEnv doc try_me
1575   = RedEnv { red_doc = doc, red_try_me = try_me,
1576              red_givens = [], red_stack = (0,[]),
1577              red_improve = True }       
1578
1579 data WhatToDo
1580  = ReduceMe WantSCs     -- Try to reduce this
1581                         -- If there's no instance, add the inst to the 
1582                         -- irreductible ones, but don't produce an error 
1583                         -- message of any kind.
1584                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1585
1586  | Stop         -- Return as irreducible unless it can
1587                         -- be reduced to a constant in one step
1588                         -- Do not add superclasses; see 
1589
1590 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1591                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1592         -- The reason for this flag is entirely the super-class loop problem
1593         -- Note [SUPER-CLASS LOOP 1]
1594 \end{code}
1595
1596 %************************************************************************
1597 %*                                                                      *
1598 \subsection[reduce]{@reduce@}
1599 %*                                                                      *
1600 %************************************************************************
1601
1602
1603 \begin{code}
1604 reduceContext :: RedEnv
1605               -> [Inst]                 -- Wanted
1606               -> TcM (ImprovementDone,
1607                       TcDictBinds,      -- Dictionary bindings
1608                       [Inst])           -- Irreducible
1609
1610 reduceContext env wanteds
1611   = do  { traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1612              text "----------------------",
1613              red_doc env,
1614              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1615              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1616              text "----------------------"
1617              ]))
1618
1619         -- Build the Avail mapping from "givens"
1620         ; init_state <- foldlM addGiven emptyAvails (red_givens env)
1621
1622         -- Do the real work
1623         -- Process non-implication constraints first, so that they are
1624         -- available to help solving the implication constraints
1625         --      ToDo: seems a bit inefficient and ad-hoc
1626         ; let (implics, rest) = partition isImplicInst wanteds
1627         ; avails <- reduceList env (rest ++ implics) init_state
1628
1629         ; let improved = availsImproved avails
1630         ; (binds, irreds) <- extractResults avails wanteds
1631
1632         ; traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1633              text "----------------------",
1634              red_doc env,
1635              text "given" <+> ppr (red_givens env),
1636              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1637              text "----",
1638              text "avails" <+> pprAvails avails,
1639              text "improved =" <+> ppr improved,
1640              text "irreds = " <+> ppr irreds,
1641              text "----------------------"
1642              ]))
1643
1644         ; return (improved, binds, irreds) }
1645
1646 tcImproveOne :: Avails -> Inst -> TcM ImprovementDone
1647 tcImproveOne avails inst
1648   | not (isDict inst) = return False
1649   | otherwise
1650   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
1651         ; let eqns = improveOne (classInstances inst_envs)
1652                                 (dictPred inst, pprInstArising inst)
1653                                 [ (dictPred p, pprInstArising p)
1654                                 | p <- availsInsts avails, isDict p ]
1655                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1656                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1657                 -- It does not have duplicates (good)
1658                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1659                 --    so that improve will see them separate
1660         ; traceTc (text "improveOne" <+> ppr inst)
1661         ; unifyEqns eqns }
1662
1663 unifyEqns :: [(Equation,(PredType,SDoc),(PredType,SDoc))] 
1664           -> TcM ImprovementDone
1665 unifyEqns [] = return False
1666 unifyEqns eqns
1667   = do  { traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))
1668         ; mappM_ unify eqns
1669         ; return True }
1670   where
1671     unify ((qtvs, pairs), what1, what2)
1672          = addErrCtxtM (mkEqnMsg what1 what2)   $
1673            tcInstTyVars (varSetElems qtvs)      `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1674            mapM_ (unif_pr tenv) pairs
1675     unif_pr tenv (ty1,ty2) =  unifyType (substTy tenv ty1) (substTy tenv ty2)
1676
1677 pprEquationDoc (eqn, (p1,w1), (p2,w2)) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 (ppr p1), nest 2 (ppr p2)]
1678
1679 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2) tidy_env
1680   = do  { pred1' <- zonkTcPredType pred1; pred2' <- zonkTcPredType pred2
1681         ; let { pred1'' = tidyPred tidy_env pred1'; pred2'' = tidyPred tidy_env pred2' }
1682         ; let msg = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
1683                           nest 2 (sep [ppr pred1'' <> comma, nest 2 from1]), 
1684                           nest 2 (sep [ppr pred2'' <> comma, nest 2 from2])]
1685         ; return (tidy_env, msg) }
1686 \end{code}
1687
1688 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1689
1690 \begin{code}
1691 reduceList :: RedEnv -> [Inst] -> Avails -> TcM Avails
1692 reduceList env@(RedEnv {red_stack = (n,stk)}) wanteds state
1693   = do  { dopts <- getDOpts
1694 #ifdef DEBUG
1695         ; if n > 8 then
1696                 dumpTcRn (hang (ptext SLIT("Interesting! Context reduction stack depth") <+> int n) 
1697                              2 (ifPprDebug (nest 2 (pprStack stk))))
1698           else return ()
1699 #endif
1700         ; if n >= ctxtStkDepth dopts then
1701             failWithTc (reduceDepthErr n stk)
1702           else
1703             go wanteds state }
1704   where
1705     go []     state = return state
1706     go (w:ws) state = do { state' <- reduce (env {red_stack = (n+1, w:stk)}) w state
1707                          ; go ws state' }
1708
1709     -- Base case: we're done!
1710 reduce env wanted avails
1711     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1712   | Just avail <- findAvail avails wanted
1713   = returnM avails      
1714
1715   | otherwise
1716   = case red_try_me env wanted of {
1717     ; Stop -> try_simple (addIrred NoSCs)       -- See Note [No superclasses for Stop]
1718
1719     ; ReduceMe want_scs ->      -- It should be reduced
1720         reduceInst env avails wanted      `thenM` \ (avails, lookup_result) ->
1721         case lookup_result of
1722             NoInstance ->    -- No such instance!
1723                              -- Add it and its superclasses
1724                              addIrred want_scs avails wanted
1725
1726             GenInst [] rhs -> addWanted want_scs avails wanted rhs []
1727
1728             GenInst wanteds' rhs -> do  { avails1 <- addIrred NoSCs avails wanted
1729                                         ; avails2 <- reduceList env wanteds' avails1
1730                                         ; addWanted want_scs avails2 wanted rhs wanteds' }
1731                 -- Temporarily do addIrred *before* the reduceList, 
1732                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1733                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1734                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1735                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1736                 --     superclasses too, and thaat can lead to a spurious loop; see
1737                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1738                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1739
1740     }
1741   where
1742         -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1743         -- Works well for literals (1::Int) and constant dictionaries (d::Num Int)
1744         -- Don't bother for implication constraints, which take real work
1745     try_simple do_this_otherwise
1746       = do { res <- lookupSimpleInst wanted
1747            ; case res of
1748                 GenInst [] rhs -> addWanted AddSCs avails wanted rhs []
1749                 other          -> do_this_otherwise avails wanted }
1750 \end{code}
1751
1752
1753 Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
1754 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1755 But the above isn't enough.  Suppose we are *given* d1:Ord a,
1756 and want to deduce (d2:C [a]) where
1757
1758         class Ord a => C a where
1759         instance Ord [a] => C [a] where ...
1760
1761 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] from Ord [a], and then add the
1762 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1763 for Ord [a] (which is obtained from Ord a) with a superclass selection or we'll just
1764 build a loop! 
1765
1766 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1767         class Monad m => C1 m
1768         class C1 m => C2 m x
1769         instance C2 Maybe Bool
1770 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1771 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1772 before we search for C1 Maybe.
1773
1774 Here's another example 
1775         class Eq b => Foo a b
1776         instance Eq a => Foo [a] a
1777 If we are reducing
1778         (Foo [t] t)
1779
1780 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1781 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1782
1783 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1784 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1785 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1786 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1787 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Stop
1788 first time, but reducible next time.
1789
1790 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1791 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1792
1793
1794 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1795 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1796 Consider 
1797     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1798     
1799     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1800         ZeroD     == ZeroD     = True
1801         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1802         _         == _         = False;
1803     
1804     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1805     equalDC = (==);
1806
1807 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1808
1809         d1 : Eq (D [])
1810
1811 by instance decl, holds if
1812         d2 : Eq [D []]
1813         where   d1 = dfEqD d2
1814
1815 by instance decl of Eq, holds if
1816         d3 : D []
1817         where   d2 = dfEqList d3
1818                 d1 = dfEqD d2
1819
1820 But now we can "tie the knot" to give
1821
1822         d3 = d1
1823         d2 = dfEqList d3
1824         d1 = dfEqD d2
1825
1826 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
1827 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
1828 contributing clauses.
1829         
1830
1831 %************************************************************************
1832 %*                                                                      *
1833                 Reducing a single constraint
1834 %*                                                                      *
1835 %************************************************************************
1836
1837 \begin{code}
1838 ---------------------------------------------
1839 reduceInst :: RedEnv -> Avails -> Inst -> TcM (Avails, LookupInstResult)
1840 reduceInst env avails (ImplicInst { tci_tyvars = tvs, tci_reft = reft, tci_loc = loc,
1841                                     tci_given = extra_givens, tci_wanted = wanteds })
1842   = reduceImplication env avails reft tvs extra_givens wanteds loc
1843
1844 reduceInst env avails other_inst
1845   = do  { result <- lookupSimpleInst other_inst
1846         ; return (avails, result) }
1847 \end{code}
1848
1849 \begin{code}
1850 ---------------------------------------------
1851 reduceImplication :: RedEnv
1852                  -> Avails
1853                  -> Refinement  -- May refine the givens; often empty
1854                  -> [TcTyVar]   -- Quantified type variables; all skolems
1855                  -> [Inst]      -- Extra givens; all rigid
1856                  -> [Inst]      -- Wanted
1857                  -> InstLoc
1858                  -> TcM (Avails, LookupInstResult)
1859 \end{code}
1860
1861 Suppose we are simplifying the constraint
1862         forall bs. extras => wanted
1863 in the context of an overall simplification problem with givens 'givens',
1864 and refinment 'reft'.
1865
1866 Note that
1867   * The refinement is often empty
1868
1869   * The 'extra givens' need not mention any of the quantified type variables
1870         e.g.    forall {}. Eq a => Eq [a]
1871                 forall {}. C Int => D (Tree Int)
1872
1873     This happens when you have something like
1874         data T a where
1875           T1 :: Eq a => a -> T a
1876
1877         f :: T a -> Int
1878         f x = ...(case x of { T1 v -> v==v })...
1879
1880 \begin{code}
1881         -- ToDo: should we instantiate tvs?  I think it's not necessary
1882         --
1883         -- ToDo: what about improvement?  There may be some improvement
1884         --       exposed as a result of the simplifications done by reduceList
1885         --       which are discarded if we back off.  
1886         --       This is almost certainly Wrong, but we'll fix it when dealing
1887         --       better with equality constraints
1888 reduceImplication env orig_avails reft tvs extra_givens wanteds inst_loc
1889   = do  {       -- Add refined givens, and the extra givens
1890           (refined_red_givens, avails) 
1891                 <- if isEmptyRefinement reft then return (red_givens env, orig_avails)
1892                    else foldlM (addRefinedGiven reft) ([], orig_avails) (red_givens env)
1893         ; avails <- foldlM addGiven avails extra_givens
1894
1895                 -- Solve the sub-problem
1896         ; let try_me inst = ReduceMe AddSCs     -- Note [Freeness and implications]
1897               env' = env { red_givens = refined_red_givens ++ extra_givens
1898                          , red_try_me = try_me }
1899
1900         ; traceTc (text "reduceImplication" <+> vcat
1901                         [ ppr orig_avails,
1902                           ppr (red_givens env), ppr extra_givens, 
1903                           ppr reft, ppr wanteds, ppr avails ])
1904         ; avails <- reduceList env' wanteds avails
1905
1906                 -- Extract the results 
1907                 -- Note [Reducing implication constraints]
1908         ; (binds, irreds) <- extractResults avails wanteds
1909         ; let (outer, inner) = partition (isJust . findAvail orig_avails) irreds
1910
1911         ; traceTc (text "reduceImplication result" <+> vcat
1912                         [ ppr outer, ppr inner, ppr binds])
1913
1914                 -- We always discard the extra avails we've generated;
1915                 -- but we remember if we have done any (global) improvement
1916         ; let ret_avails = updateImprovement orig_avails avails
1917
1918         ; if isEmptyLHsBinds binds && null outer then   -- No progress
1919                 return (ret_avails, NoInstance)
1920           else do
1921         { (implic_insts, bind) <- makeImplicationBind inst_loc tvs reft extra_givens inner
1922
1923         ; let   dict_ids = map instToId extra_givens
1924                 co  = mkWpTyLams tvs <.> mkWpLams dict_ids <.> WpLet (binds `unionBags` bind)
1925                 rhs = mkHsWrap co payload
1926                 loc = instLocSpan inst_loc
1927                 payload | [wanted] <- wanteds = HsVar (instToId wanted)
1928                         | otherwise = ExplicitTuple (map (L loc . HsVar . instToId) wanteds) Boxed
1929
1930         ; return (ret_avails, GenInst (implic_insts ++ outer) (L loc rhs))
1931   } }
1932 \end{code}
1933
1934 Note [Reducing implication constraints]
1935 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1936 Suppose we are trying to simplify
1937         (Ord a, forall b. C a b => (W [a] b, D c b))
1938 where
1939         instance (C a b, Ord a) => W [a] b
1940 When solving the implication constraint, we'll start with
1941         Ord a -> Irred
1942 in the Avails.  Then we add (C a b -> Given) and solve. Extracting
1943 the results gives us a binding for the (W [a] b), with an Irred of 
1944 (Ord a, D c b).  Now, the (Ord a) comes from "outside" the implication,
1945 but the (D d b) is from "inside".  So we want to generate a Rhs binding
1946 like this
1947
1948         ic = /\b \dc:C a b). (df a b dc do, ic' b dc)
1949            depending on
1950                 do :: Ord a
1951                 ic' :: forall b. C a b => D c b
1952
1953 The 'depending on' part of the Rhs is important, because it drives
1954 the extractResults code.
1955
1956 The "inside" and "outside" distinction is what's going on with 'inner' and
1957 'outer' in reduceImplication
1958
1959
1960 Note [Freeness and implications]
1961 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1962 It's hard to say when an implication constraint can be floated out.  Consider
1963         forall {} Eq a => Foo [a]
1964 The (Foo [a]) doesn't mention any of the quantified variables, but it
1965 still might be partially satisfied by the (Eq a). 
1966
1967 There is a useful special case when it *is* easy to partition the 
1968 constraints, namely when there are no 'givens'.  Consider
1969         forall {a}. () => Bar b
1970 There are no 'givens', and so there is no reason to capture (Bar b).
1971 We can let it float out.  But if there is even one constraint we
1972 must be much more careful:
1973         forall {a}. C a b => Bar (m b)
1974 because (C a b) might have a superclass (D b), from which we might 
1975 deduce (Bar [b]) when m later gets instantiated to [].  Ha!
1976
1977 Here is an even more exotic example
1978         class C a => D a b
1979 Now consider the constraint
1980         forall b. D Int b => C Int
1981 We can satisfy the (C Int) from the superclass of D, so we don't want
1982 to float the (C Int) out, even though it mentions no type variable in
1983 the constraints!
1984
1985 Note [Pruning the givens in an implication constraint]
1986 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1987 Suppose we are about to form the implication constraint
1988         forall tvs.  Eq a => Ord b
1989 The (Eq a) cannot contribute to the (Ord b), because it has no access to
1990 the type variable 'b'.  So we could filter out the (Eq a) from the givens.
1991
1992 Doing so would be a bit tidier, but all the implication constraints get
1993 simplified away by the optimiser, so it's no great win.   So I don't take
1994 advantage of that at the moment.
1995
1996 If you do, BE CAREFUL of wobbly type variables.
1997
1998
1999 %************************************************************************
2000 %*                                                                      *
2001                 Avails and AvailHow: the pool of evidence
2002 %*                                                                      *
2003 %************************************************************************
2004
2005
2006 \begin{code}
2007 data Avails = Avails !ImprovementDone !AvailEnv
2008
2009 type ImprovementDone = Bool     -- True <=> some unification has happened
2010                                 -- so some Irreds might now be reducible
2011                                 -- keys that are now 
2012
2013 type AvailEnv = FiniteMap Inst AvailHow
2014 data AvailHow
2015   = IsIrred TcId        -- Used for irreducible dictionaries,
2016                         -- which are going to be lambda bound
2017
2018   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
2019                         -- e.g. those "given" in a signature
2020
2021   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
2022         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
2023         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
2024
2025 instance Outputable Avails where
2026   ppr = pprAvails
2027
2028 pprAvails (Avails imp avails)
2029   = vcat [ ptext SLIT("Avails") <> (if imp then ptext SLIT("[improved]") else empty)
2030          , nest 2 (vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> ppr avail)]
2031                         | (inst,avail) <- fmToList avails ])]
2032
2033 instance Outputable AvailHow where
2034     ppr = pprAvail
2035
2036 -------------------------
2037 pprAvail :: AvailHow -> SDoc
2038 pprAvail (IsIrred x)    = text "Irred" <+> ppr x
2039 pprAvail (Given x)      = text "Given" <+> ppr x
2040 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> sep [ppr rhs, braces (ppr bs)]
2041
2042 -------------------------
2043 extendAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> AvailHow -> AvailEnv
2044 extendAvailEnv env inst avail = addToFM env inst avail
2045
2046 findAvailEnv :: AvailEnv -> Inst -> Maybe AvailHow
2047 findAvailEnv env wanted = lookupFM env wanted
2048         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
2049         --  *not* by unique.  So
2050         --      d1::C Int ==  d2::C Int
2051
2052 emptyAvails :: Avails
2053 emptyAvails = Avails False emptyFM
2054
2055 findAvail :: Avails -> Inst -> Maybe AvailHow
2056 findAvail (Avails _ avails) wanted = findAvailEnv avails wanted
2057
2058 elemAvails :: Inst -> Avails -> Bool
2059 elemAvails wanted (Avails _ avails) = wanted `elemFM` avails
2060
2061 extendAvails :: Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2062 -- Does improvement
2063 extendAvails avails@(Avails imp env) inst avail 
2064   = do  { imp1 <- tcImproveOne avails inst      -- Do any improvement
2065         ; return (Avails (imp || imp1) (extendAvailEnv env inst avail)) }
2066
2067 availsInsts :: Avails -> [Inst]
2068 availsInsts (Avails _ avails) = keysFM avails
2069
2070 availsImproved (Avails imp _) = imp
2071
2072 updateImprovement :: Avails -> Avails -> Avails
2073 -- (updateImprovement a1 a2) sets a1's improvement flag from a2
2074 updateImprovement (Avails _ avails1) (Avails imp2 _) = Avails imp2 avails1
2075 \end{code}
2076
2077 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
2078 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
2079 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
2080 dependency analyser can sort them out later
2081
2082 \begin{code}
2083 extractResults :: Avails
2084                -> [Inst]                -- Wanted
2085                -> TcM ( TcDictBinds,    -- Bindings
2086                         [Inst])         -- Irreducible ones
2087
2088 extractResults (Avails _ avails) wanteds
2089   = go avails emptyBag [] wanteds
2090   where
2091     go :: AvailEnv -> TcDictBinds -> [Inst] -> [Inst]
2092         -> TcM (TcDictBinds, [Inst])
2093     go avails binds irreds [] 
2094       = returnM (binds, irreds)
2095
2096     go avails binds irreds (w:ws)
2097       = case findAvailEnv avails w of
2098           Nothing -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
2099                      go avails binds irreds ws
2100
2101           Just (Given id) 
2102                 | id == w_id -> go avails binds irreds ws 
2103                 | otherwise  -> go avails (addBind binds w_id (nlHsVar id)) irreds ws
2104                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
2105                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
2106
2107           Just (IsIrred _) -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) ws
2108                 -- | otherwise  -> go avails (addBind binds w_id (nlHsVar id)) irreds ws
2109                 -- The add_given handles the case where we want (Ord a, Eq a), and we
2110                 -- don't want to emit *two* Irreds for Ord a, one via the superclass chain
2111                 -- This showed up in a dupliated Ord constraint in the error message for 
2112                 --      test tcfail043
2113
2114           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds (ws' ++ ws)
2115                              where      
2116                                 new_binds = addBind binds w_id rhs
2117       where
2118         w_id = instToId w       
2119
2120     add_given avails w = extendAvailEnv avails w (Given (instToId w))
2121         -- Don't add the same binding twice
2122
2123 addBind binds id rhs = binds `unionBags` unitBag (L (getSrcSpan id) (VarBind id rhs))
2124 \end{code}
2125
2126
2127 Note [No superclasses for Stop]
2128 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2129 When we decide not to reduce an Inst -- the 'WhatToDo' --- we still
2130 add it to avails, so that any other equal Insts will be commoned up
2131 right here.  However, we do *not* add superclasses.  If we have
2132         df::Floating a
2133         dn::Num a
2134 but a is not bound here, then we *don't* want to derive dn from df
2135 here lest we lose sharing.
2136
2137 \begin{code}
2138 addWanted :: WantSCs -> Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
2139 addWanted want_scs avails wanted rhs_expr wanteds
2140   = addAvailAndSCs want_scs avails wanted avail
2141   where
2142     avail = Rhs rhs_expr wanteds
2143
2144 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
2145 addGiven avails given = addAvailAndSCs AddSCs avails given (Given (instToId given))
2146         -- Always add superclasses for 'givens'
2147         --
2148         -- No ASSERT( not (given `elemAvails` avails) ) because in an instance
2149         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
2150         -- so the assert isn't true
2151
2152 addRefinedGiven :: Refinement -> ([Inst], Avails) -> Inst -> TcM ([Inst], Avails)
2153 addRefinedGiven reft (refined_givens, avails) given
2154   | isDict given        -- We sometimes have 'given' methods, but they
2155                         -- are always optional, so we can drop them
2156   , let pred = dictPred given
2157   , isRefineablePred pred       -- See Note [ImplicInst rigidity]
2158   , Just (co, pred) <- refinePred reft pred
2159   = do  { new_given <- newDictBndr (instLoc given) pred
2160         ; let rhs = L (instSpan given) $
2161                     HsWrap (WpCo co) (HsVar (instToId given))
2162         ; avails <- addAvailAndSCs AddSCs avails new_given (Rhs rhs [given])
2163         ; return (new_given:refined_givens, avails) }
2164             -- ToDo: the superclasses of the original given all exist in Avails 
2165             -- so we could really just cast them, but it's more awkward to do,
2166             -- and hopefully the optimiser will spot the duplicated work
2167   | otherwise
2168   = return (refined_givens, avails)
2169 \end{code}
2170
2171 Note [ImplicInst rigidity]
2172 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2173 Consider
2174         C :: forall ab. (Eq a, Ord b) => b -> T a
2175         
2176         ...(case x of C v -> <body>)...
2177
2178 From the case (where x::T ty) we'll get an implication constraint
2179         forall b. (Eq ty, Ord b) => <body-constraints>
2180 Now suppose <body-constraints> itself has an implication constraint 
2181 of form
2182         forall c. <reft> => <payload>
2183 Then, we can certainly apply the refinement <reft> to the Ord b, becuase it is
2184 existential, but we probably should not apply it to the (Eq ty) because it may
2185 be wobbly. Hence the isRigidInst
2186
2187 @Insts@ are ordered by their class/type info, rather than by their
2188 unique.  This allows the context-reduction mechanism to use standard finite
2189 maps to do their stuff.  It's horrible that this code is here, rather
2190 than with the Avails handling stuff in TcSimplify
2191
2192 \begin{code}
2193 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2194 addIrred want_scs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemAvails` avails), ppr irred $$ ppr avails )
2195                                  addAvailAndSCs want_scs avails irred (IsIrred (instToId irred))
2196
2197 addAvailAndSCs :: WantSCs -> Avails -> Inst -> AvailHow -> TcM Avails
2198 addAvailAndSCs want_scs avails inst avail
2199   | not (isClassDict inst) = extendAvails avails inst avail
2200   | NoSCs <- want_scs      = extendAvails avails inst avail
2201   | otherwise              = do { traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps])
2202                                 ; avails' <- extendAvails avails inst avail
2203                                 ; addSCs is_loop avails' inst }
2204   where
2205     is_loop pred = any (`tcEqType` mkPredTy pred) dep_tys
2206                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
2207     deps         = findAllDeps (unitVarSet (instToId inst)) avail
2208     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
2209
2210     findAllDeps :: IdSet -> AvailHow -> IdSet
2211     -- Find all the Insts that this one depends on
2212     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2213     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
2214     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
2215     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) = foldl find_all so_far kids
2216     findAllDeps so_far other        = so_far
2217
2218     find_all :: IdSet -> Inst -> IdSet
2219     find_all so_far kid
2220       | kid_id `elemVarSet` so_far         = so_far
2221       | Just avail <- findAvail avails kid = findAllDeps so_far' avail
2222       | otherwise                          = so_far'
2223       where
2224         so_far' = extendVarSet so_far kid_id    -- Add the new kid to so_far
2225         kid_id = instToId kid
2226
2227 addSCs :: (TcPredType -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
2228         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
2229         -- The first param says "dont do this because the original thing
2230         --      depends on this one, so you'd build a loop"
2231         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
2232
2233 addSCs is_loop avails dict
2234   = ASSERT( isDict dict )
2235     do  { sc_dicts <- newDictBndrs (instLoc dict) sc_theta'
2236         ; foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels) }
2237   where
2238     (clas, tys) = getDictClassTys dict
2239     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
2240     sc_theta' = substTheta (zipTopTvSubst tyvars tys) sc_theta
2241
2242     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)
2243       | is_loop (dictPred sc_dict) = return avails      -- See Note [SUPERCLASS-LOOP 2]
2244       | is_given sc_dict           = return avails
2245       | otherwise                  = do { avails' <- extendAvails avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
2246                                         ; addSCs is_loop avails' sc_dict }
2247       where
2248         sc_sel_rhs = L (instSpan dict) (HsWrap co_fn (HsVar sc_sel))
2249         co_fn      = WpApp (instToId dict) <.> mkWpTyApps tys
2250
2251     is_given :: Inst -> Bool
2252     is_given sc_dict = case findAvail avails sc_dict of
2253                           Just (Given _) -> True        -- Given is cheaper than superclass selection
2254                           other          -> False       
2255 \end{code}
2256
2257 %************************************************************************
2258 %*                                                                      *
2259 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
2260 %*                                                                      *
2261 %************************************************************************
2262
2263
2264 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
2265 and ambiguous Insts.
2266
2267 We need to be careful of one case.  Suppose we have
2268
2269         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
2270
2271 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
2272 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
2273
2274 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
2275
2276
2277 \begin{code}
2278 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
2279 tcSimplifyTop wanteds
2280   = tc_simplify_top doc False wanteds
2281   where 
2282     doc = text "tcSimplifyTop"
2283
2284 tcSimplifyInteractive wanteds
2285   = tc_simplify_top doc True wanteds
2286   where 
2287     doc = text "tcSimplifyInteractive"
2288
2289 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
2290 -- error message generation for the monomorphism restriction
2291 tc_simplify_top doc interactive wanteds
2292   = do  { dflags <- getDOpts
2293         ; wanteds <- mapM zonkInst wanteds
2294         ; mapM_ zonkTopTyVar (varSetElems (tyVarsOfInsts wanteds))
2295
2296         ; (irreds1, binds1) <- tryHardCheckLoop doc1 wanteds
2297         ; (irreds2, binds2) <- approximateImplications doc2 (\d -> True) irreds1
2298
2299                 -- Use the defaulting rules to do extra unification
2300                 -- NB: irreds2 are already zonked
2301         ; (irreds3, binds3) <- disambiguate doc3 interactive dflags irreds2
2302
2303                 -- Deal with implicit parameters
2304         ; let (bad_ips, non_ips) = partition isIPDict irreds3
2305               (ambigs, others)   = partition isTyVarDict non_ips
2306
2307         ; topIPErrs bad_ips     -- Can arise from   f :: Int -> Int
2308                                 --                  f x = x + ?y
2309         ; addNoInstanceErrs others
2310         ; addTopAmbigErrs ambigs        
2311
2312         ; return (binds1 `unionBags` binds2 `unionBags` binds3) }
2313   where
2314     doc1 = doc <+> ptext SLIT("(first round)")
2315     doc2 = doc <+> ptext SLIT("(approximate)")
2316     doc3 = doc <+> ptext SLIT("(disambiguate)")
2317 \end{code}
2318
2319 If a dictionary constrains a type variable which is
2320         * not mentioned in the environment
2321         * and not mentioned in the type of the expression
2322 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
2323 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
2324 parameter to a function.
2325
2326 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
2327 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
2328 Specifically, if
2329         * at least one of its classes is a numeric class, and
2330         * all of its classes are numeric or standard
2331 then the type variable can be defaulted to the first type in the
2332 default-type list which is an instance of all the offending classes.
2333
2334 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
2335 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
2336 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
2337 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
2338
2339 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
2340 the same type variable.
2341
2342 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
2343 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
2344 the most common use of defaulting is code like:
2345 \begin{verbatim}
2346         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
2347 \end{verbatim}
2348 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
2349 @void@.
2350
2351 \begin{code}
2352 disambiguate :: SDoc -> Bool -> DynFlags -> [Inst] -> TcM ([Inst], TcDictBinds)
2353         -- Just does unification to fix the default types
2354         -- The Insts are assumed to be pre-zonked
2355 disambiguate doc interactive dflags insts
2356   | null insts
2357   = return (insts, emptyBag)
2358
2359   | null defaultable_groups
2360   = do  { traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2361         ; return (insts, emptyBag) }
2362
2363   | otherwise
2364   = do  {       -- Figure out what default types to use
2365           default_tys <- getDefaultTys extended_defaulting ovl_strings
2366
2367         ; traceTc (text "disambiguate1" <+> vcat [ppr insts, ppr unaries, ppr bad_tvs, ppr defaultable_groups])
2368         ; mapM_ (disambigGroup default_tys) defaultable_groups
2369
2370         -- disambigGroup does unification, hence try again
2371         ; tryHardCheckLoop doc insts }
2372
2373   where
2374    extended_defaulting = interactive || dopt Opt_ExtendedDefaultRules dflags
2375    ovl_strings = dopt Opt_OverloadedStrings dflags
2376
2377    unaries :: [(Inst, Class, TcTyVar)]  -- (C tv) constraints
2378    bad_tvs :: TcTyVarSet  -- Tyvars mentioned by *other* constraints
2379    (unaries, bad_tvs_s) = partitionWith find_unary insts 
2380    bad_tvs              = unionVarSets bad_tvs_s
2381
2382         -- Finds unary type-class constraints
2383    find_unary d@(Dict {tci_pred = ClassP cls [ty]})
2384         | Just tv <- tcGetTyVar_maybe ty = Left (d,cls,tv)
2385    find_unary inst                       = Right (tyVarsOfInst inst)
2386
2387                 -- Group by type variable
2388    defaultable_groups :: [[(Inst,Class,TcTyVar)]]
2389    defaultable_groups = filter defaultable_group (equivClasses cmp_tv unaries)
2390    cmp_tv (_,_,tv1) (_,_,tv2) = tv1 `compare` tv2
2391
2392    defaultable_group :: [(Inst,Class,TcTyVar)] -> Bool
2393    defaultable_group ds@((_,_,tv):_)
2394         =  isTyConableTyVar tv  -- Note [Avoiding spurious errors]
2395         && not (tv `elemVarSet` bad_tvs)
2396         && defaultable_classes [c | (_,c,_) <- ds]
2397    defaultable_group [] = panic "defaultable_group"
2398
2399    defaultable_classes clss 
2400         | extended_defaulting = any isInteractiveClass clss
2401         | otherwise           = all is_std_class clss && (any is_num_class clss)
2402
2403         -- In interactive mode, or with -fextended-default-rules,
2404         -- we default Show a to Show () to avoid graututious errors on "show []"
2405    isInteractiveClass cls 
2406         = is_num_class cls || (classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
2407
2408    is_num_class cls = isNumericClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2409         -- is_num_class adds IsString to the standard numeric classes, 
2410         -- when -foverloaded-strings is enabled
2411
2412    is_std_class cls = isStandardClass cls || (ovl_strings && (cls `hasKey` isStringClassKey))
2413         -- Similarly is_std_class
2414
2415 -----------------------
2416 disambigGroup :: [Type]                 -- The default types
2417               -> [(Inst,Class,TcTyVar)] -- All standard classes of form (C a)
2418               -> TcM () -- Just does unification, to fix the default types
2419
2420 disambigGroup default_tys dicts
2421   = try_default default_tys
2422   where
2423     (_,_,tyvar) = head dicts    -- Should be non-empty
2424     classes = [c | (_,c,_) <- dicts]
2425
2426     try_default [] = return ()
2427     try_default (default_ty : default_tys)
2428       = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $
2429         do { tcSimplifyDefault [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
2430                 -- This may fail; then the tryTcLIE_ kicks in
2431                 -- Failure here is caused by there being no type in the
2432                 -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
2433                 -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
2434                 -- default list is Int.
2435
2436                 -- After this we can't fail
2437            ; warnDefault dicts default_ty
2438            ; unifyType default_ty (mkTyVarTy tyvar) }
2439
2440
2441 -----------------------
2442 getDefaultTys :: Bool -> Bool -> TcM [Type]
2443 getDefaultTys extended_deflts ovl_strings
2444   = do  { mb_defaults <- getDeclaredDefaultTys
2445         ; case mb_defaults of {
2446            Just tys -> return tys ;     -- User-supplied defaults
2447            Nothing  -> do
2448
2449         -- No use-supplied default
2450         -- Use [Integer, Double], plus modifications
2451         { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
2452         ; checkWiredInTyCon doubleTyCon
2453         ; string_ty <- tcMetaTy stringTyConName
2454         ; return (opt_deflt extended_deflts unitTy
2455                         -- Note [Default unitTy]
2456                         ++
2457                   [integer_ty,doubleTy]
2458                         ++
2459                   opt_deflt ovl_strings string_ty) } } }
2460   where
2461     opt_deflt True  ty = [ty]
2462     opt_deflt False ty = []
2463 \end{code}
2464
2465 Note [Default unitTy]
2466 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2467 In interative mode (or with -fextended-default-rules) we add () as the first type we
2468 try when defaulting.  This has very little real impact, except in the following case.
2469 Consider: 
2470         Text.Printf.printf "hello"
2471 This has type (forall a. IO a); it prints "hello", and returns 'undefined'.  We don't
2472 want the GHCi repl loop to try to print that 'undefined'.  The neatest thing is to
2473 default the 'a' to (), rather than to Integer (which is what would otherwise happen;
2474 and then GHCi doesn't attempt to print the ().  So in interactive mode, we add
2475 () to the list of defaulting types.  See Trac #1200.
2476
2477 Note [Avoiding spurious errors]
2478 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2479 When doing the unification for defaulting, we check for skolem
2480 type variables, and simply don't default them.  For example:
2481    f = (*)      -- Monomorphic
2482    g :: Num a => a -> a
2483    g x = f x x
2484 Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
2485 that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
2486 dealing with the (Num a) context arising from f's definition;
2487 we try to unify a with Int (to default it), but find that it's
2488 already been unified with the rigid variable from g's type sig
2489
2490
2491 %************************************************************************
2492 %*                                                                      *
2493 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2494 %*                                                                      *
2495 %************************************************************************
2496
2497 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2498
2499 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2500 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2501 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2502
2503 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2504 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2505 instance declarations.
2506
2507 \begin{code}
2508 tcSimplifyDeriv :: InstOrigin
2509                 -> [TyVar]      
2510                 -> ThetaType            -- Wanted
2511                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2512 -- Given  instance (wanted) => C inst_ty 
2513 -- Simplify 'wanted' as much as possible
2514 -- The inst_ty is needed only for the termination check
2515
2516 tcSimplifyDeriv orig tyvars theta
2517   = do  { (tvs, _, tenv) <- tcInstTyVars tyvars
2518         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2519         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2520         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2521         ; wanteds <- newDictBndrsO orig (substTheta tenv theta)
2522         ; (irreds, _) <- tryHardCheckLoop doc wanteds
2523
2524         ; let (tv_dicts, others) = partition isTyVarDict irreds
2525         ; addNoInstanceErrs others
2526
2527         ; let rev_env = zipTopTvSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2528               simpl_theta = substTheta rev_env (map dictPred tv_dicts)
2529                 -- This reverse-mapping is a pain, but the result
2530                 -- should mention the original TyVars not TcTyVars
2531
2532         ; return simpl_theta }
2533   where
2534     doc = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2535 \end{code}
2536
2537 Note [Exotic derived instance contexts]
2538 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
2539 Consider
2540         data T a b c = MkT (Foo a b c) deriving( Eq )
2541         instance (C Int a, Eq b, Eq c) => Eq (Foo a b c)
2542
2543 Notice that this instance (just) satisfies the Paterson termination 
2544 conditions.  Then we *could* derive an instance decl like this:
2545
2546         instance (C Int a, Eq b, Eq c) => Eq (T a b c) 
2547
2548 even though there is no instance for (C Int a), because there just
2549 *might* be an instance for, say, (C Int Bool) at a site where we
2550 need the equality instance for T's.  
2551
2552 However, this seems pretty exotic, and it's quite tricky to allow
2553 this, and yet give sensible error messages in the (much more common)
2554 case where we really want that instance decl for C.
2555
2556 So for now we simply require that the derived instance context
2557 should have only type-variable constraints.
2558
2559 Here is another example:
2560         data Fix f = In (f (Fix f)) deriving( Eq )
2561 Here, if we are prepared to allow -fallow-undecidable-instances we
2562 could derive the instance
2563         instance Eq (f (Fix f)) => Eq (Fix f)
2564 but this is so delicate that I don't think it should happen inside
2565 'deriving'. If you want this, write it yourself!
2566
2567 NB: if you want to lift this condition, make sure you still meet the
2568 termination conditions!  If not, the deriving mechanism generates
2569 larger and larger constraints.  Example:
2570   data Succ a = S a
2571   data Seq a = Cons a (Seq (Succ a)) | Nil deriving Show
2572
2573 Note the lack of a Show instance for Succ.  First we'll generate
2574   instance (Show (Succ a), Show a) => Show (Seq a)
2575 and then
2576   instance (Show (Succ (Succ a)), Show (Succ a), Show a) => Show (Seq a)
2577 and so on.  Instead we want to complain of no instance for (Show (Succ a)).
2578
2579
2580 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2581 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2582 whether it worked or not.
2583
2584 \begin{code}
2585 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2586                   -> TcM ()
2587
2588 tcSimplifyDefault theta
2589   = newDictBndrsO DefaultOrigin theta   `thenM` \ wanteds ->
2590     tryHardCheckLoop doc wanteds        `thenM` \ (irreds, _) ->
2591     addNoInstanceErrs  irreds           `thenM_`
2592     if null irreds then
2593         returnM ()
2594     else
2595         failM
2596   where
2597     doc = ptext SLIT("default declaration")
2598 \end{code}
2599
2600
2601 %************************************************************************
2602 %*                                                                      *
2603 \section{Errors and contexts}
2604 %*                                                                      *
2605 %************************************************************************
2606
2607 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2608 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2609 now?
2610
2611 \begin{code}
2612 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2613           -> [Inst]             -- The offending Insts
2614           -> TcM ()
2615 -- Group together insts with the same origin
2616 -- We want to report them together in error messages
2617
2618 groupErrs report_err [] 
2619   = returnM ()
2620 groupErrs report_err (inst:insts) 
2621   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2622     groupErrs report_err others
2623
2624   where
2625         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2626         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2627         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2628    (friends, others) = partition is_friend insts
2629    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2630    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2631    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2632                 -- Add location and context information derived from the Insts
2633
2634 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2635 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2636 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstArising (head insts))
2637
2638 addTopIPErrs :: [Name] -> [Inst] -> TcM ()
2639 addTopIPErrs bndrs [] 
2640   = return ()
2641 addTopIPErrs bndrs ips
2642   = do  { dflags <- getDOpts
2643         ; addErrTcM (tidy_env, mk_msg dflags tidy_ips) }
2644   where
2645     (tidy_env, tidy_ips) = tidyInsts ips
2646     mk_msg dflags ips 
2647         = vcat [sep [ptext SLIT("Implicit parameters escape from"),
2648                 nest 2 (ptext SLIT("the monomorphic top-level binding") 
2649                                             <> plural bndrs <+> ptext SLIT("of")
2650                                             <+> pprBinders bndrs <> colon)],
2651                 nest 2 (vcat (map ppr_ip ips)),
2652                 monomorphism_fix dflags]
2653     ppr_ip ip = pprPred (dictPred ip) <+> pprInstArising ip
2654
2655 topIPErrs :: [Inst] -> TcM ()
2656 topIPErrs dicts
2657   = groupErrs report tidy_dicts
2658   where
2659     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2660     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2661     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2662                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2663
2664 addNoInstanceErrs :: [Inst]     -- Wanted (can include implications)
2665                   -> TcM ()     
2666 addNoInstanceErrs insts
2667   = do  { let (tidy_env, tidy_insts) = tidyInsts insts
2668         ; reportNoInstances tidy_env Nothing tidy_insts }
2669
2670 reportNoInstances 
2671         :: TidyEnv
2672         -> Maybe (InstLoc, [Inst])      -- Context
2673                         -- Nothing => top level
2674                         -- Just (d,g) => d describes the construct
2675                         --               with givens g
2676         -> [Inst]       -- What is wanted (can include implications)
2677         -> TcM ()       
2678
2679 reportNoInstances tidy_env mb_what insts 
2680   = groupErrs (report_no_instances tidy_env mb_what) insts
2681
2682 report_no_instances tidy_env mb_what insts
2683   = do  { inst_envs <- tcGetInstEnvs
2684         ; let (implics, insts1)  = partition isImplicInst insts
2685               (insts2, overlaps) = partitionWith (check_overlap inst_envs) insts1
2686         ; traceTc (text "reportNoInstnces" <+> vcat 
2687                         [ppr implics, ppr insts1, ppr insts2])
2688         ; mapM_ complain_implic implics
2689         ; mapM_ (\doc -> addErrTcM (tidy_env, doc)) overlaps
2690         ; groupErrs complain_no_inst insts2 }
2691   where
2692     complain_no_inst insts = addErrTcM (tidy_env, mk_no_inst_err insts)
2693
2694     complain_implic inst        -- Recurse!
2695       = reportNoInstances tidy_env 
2696                           (Just (tci_loc inst, tci_given inst)) 
2697                           (tci_wanted inst)
2698
2699     check_overlap :: (InstEnv,InstEnv) -> Inst -> Either Inst SDoc
2700         -- Right msg  => overlap message
2701         -- Left  inst => no instance
2702     check_overlap inst_envs wanted
2703         | not (isClassDict wanted) = Left wanted
2704         | otherwise
2705         = case lookupInstEnv inst_envs clas tys of
2706                 -- The case of exactly one match and no unifiers means
2707                 -- a successful lookup.  That can't happen here, becuase
2708                 -- dicts only end up here if they didn't match in Inst.lookupInst
2709 #ifdef DEBUG
2710                 ([m],[]) -> pprPanic "reportNoInstance" (ppr wanted)
2711 #endif
2712                 ([], _)  -> Left wanted         -- No match
2713                 res      -> Right (mk_overlap_msg wanted res)
2714           where
2715             (clas,tys) = getDictClassTys wanted
2716
2717     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2718       = ASSERT( not (null matches) )
2719         vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
2720                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
2721                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2722                      nest 2 (vcat [pprInstances ispecs, pprInstances unifiers])],
2723                 if not (isSingleton matches)
2724                 then    -- Two or more matches
2725                      empty
2726                 else    -- One match, plus some unifiers
2727                 ASSERT( not (null unifiers) )
2728                 parens (vcat [ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2729                                  quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))),
2730                               ptext SLIT("To pick the first instance above, use -fallow-incoherent-instances"),
2731                               ptext SLIT("when compiling the other instances")])]
2732       where
2733         ispecs = [ispec | (ispec, _) <- matches]
2734
2735     mk_no_inst_err insts
2736       | null insts = empty
2737
2738       | Just (loc, givens) <- mb_what,   -- Nested (type signatures, instance decls)
2739         not (isEmptyVarSet (tyVarsOfInsts insts))
2740       = vcat [ addInstLoc insts $
2741                sep [ ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta insts
2742                    , nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta givens]
2743              , show_fixes (fix1 loc : fixes2) ]
2744
2745       | otherwise       -- Top level 
2746       = vcat [ addInstLoc insts $
2747                ptext SLIT("No instance") <> plural insts
2748                     <+> ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta insts
2749              , show_fixes fixes2 ]
2750
2751       where
2752         fix1 loc = sep [ ptext SLIT("add") <+> pprDictsTheta insts
2753                                  <+> ptext SLIT("to the context of"),
2754                          nest 2 (ppr (instLocOrigin loc)) ]
2755                          -- I'm not sure it helps to add the location
2756                          -- nest 2 (ptext SLIT("at") <+> ppr (instLocSpan loc)) ]
2757
2758         fixes2 | null instance_dicts = []
2759                | otherwise           = [sep [ptext SLIT("add an instance declaration for"),
2760                                         pprDictsTheta instance_dicts]]
2761         instance_dicts = [d | d <- insts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2762                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2763                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2764
2765         show_fixes :: [SDoc] -> SDoc
2766         show_fixes []     = empty
2767         show_fixes (f:fs) = sep [ptext SLIT("Possible fix:"), 
2768                                  nest 2 (vcat (f : map (ptext SLIT("or") <+>) fs))]
2769
2770 addTopAmbigErrs dicts
2771 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
2772   = ifErrsM (return ()) $       -- Only report ambiguity if no other errors happened
2773                                 -- See Note [Avoiding spurious errors]
2774     mapM_ report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
2775   where
2776     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2777
2778     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
2779     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
2780     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
2781     
2782     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
2783     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
2784         = mkMonomorphismMsg tidy_env tvs        `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
2785           setSrcSpan (instSpan inst) $
2786                 -- the location of the first one will do for the err message
2787           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
2788         where
2789           dicts = map fst pairs
2790           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
2791                           pprQuotedList tvs <+> in_msg,
2792                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
2793           in_msg = text "in the constraint" <> plural dicts <> colon
2794     report [] = panic "addTopAmbigErrs"
2795
2796
2797 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [TcTyVar] -> TcM (TidyEnv, Message)
2798 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
2799 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
2800 -- Try to identify the offending variable
2801 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
2802 mkMonomorphismMsg tidy_env inst_tvs
2803   = do  { dflags <- getDOpts
2804         ; (tidy_env, docs) <- findGlobals (mkVarSet inst_tvs) tidy_env
2805         ; return (tidy_env, mk_msg dflags docs) }
2806   where
2807     mk_msg _ _ | any isRuntimeUnk inst_tvs
2808         =  vcat [ptext SLIT("Cannot resolve unknown runtime types:") <+>
2809                    (pprWithCommas ppr inst_tvs),
2810                 ptext SLIT("Use :print or :force to determine these types")]
2811     mk_msg _ []   = ptext SLIT("Probable fix: add a type signature that fixes these type variable(s)")
2812                         -- This happens in things like
2813                         --      f x = show (read "foo")
2814                         -- where monomorphism doesn't play any role
2815     mk_msg dflags docs 
2816         = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
2817                 nest 2 (vcat docs),
2818                 monomorphism_fix dflags]
2819
2820 isRuntimeUnk :: TcTyVar -> Bool
2821 isRuntimeUnk x | SkolemTv RuntimeUnkSkol <- tcTyVarDetails x = True
2822                | otherwise = False
2823
2824 monomorphism_fix :: DynFlags -> SDoc
2825 monomorphism_fix dflags
2826   = ptext SLIT("Probable fix:") <+> vcat
2827         [ptext SLIT("give these definition(s) an explicit type signature"),
2828          if dopt Opt_MonomorphismRestriction dflags
2829            then ptext SLIT("or use -fno-monomorphism-restriction")
2830            else empty]  -- Only suggest adding "-fno-monomorphism-restriction"
2831                         -- if it is not already set!
2832     
2833 warnDefault ups default_ty
2834   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
2835     addInstCtxt (instLoc (head (dicts))) (warnTc warn_flag warn_msg)
2836   where
2837     dicts = [d | (d,_,_) <- ups]
2838
2839         -- Tidy them first
2840     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2841     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
2842                                 quotes (ppr default_ty),
2843                       pprDictsInFull tidy_dicts]
2844
2845 reduceDepthErr n stack
2846   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
2847           ptext SLIT("Use -fcontext-stack=N to increase stack size to N"),
2848           nest 4 (pprStack stack)]
2849
2850 pprStack stack = vcat (map pprInstInFull stack)
2851 \end{code}