compiler/typecheck/TcUnify.lhs

   1 %
   2 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
   3 %
   4 \section{Type subsumption and unification}
   5
   6 \begin{code}
   7 module TcUnify (
   8         -- Full-blown subsumption
   9   tcSubExp, tcFunResTy, tcGen,
  10   checkSigTyVars, checkSigTyVarsWrt, bleatEscapedTvs, sigCtxt,
  11
  12         -- Various unifications
  13   unifyType, unifyTypeList, unifyTheta,
  14   unifyKind, unifyKinds, unifyFunKind,
  15   checkExpectedKind,
  16   preSubType, boxyMatchTypes,
  17
  18   --------------------------------
  19   -- Holes
  20   tcInfer, subFunTys, unBox, stripBoxyType, withBox,
  21   boxyUnify, boxyUnifyList, zapToMonotype,
  22   boxySplitListTy, boxySplitTyConApp, boxySplitAppTy,
  23   wrapFunResCoercion
  24   ) where
  25
  26 #include "HsVersions.h"
  27
  28 import HsSyn            ( ExprCoFn(..), idCoercion, isIdCoercion, (<.>),
  29                           mkCoLams, mkCoTyLams, mkCoApps )
  30 import TypeRep          ( Type(..), PredType(..) )
  31
  32 import TcMType          ( lookupTcTyVar, LookupTyVarResult(..),
  33                           tcInstSkolType, tcInstBoxyTyVar, newKindVar, newMetaTyVar,
  34                           newBoxyTyVar, newBoxyTyVarTys, readFilledBox,
  35                           readMetaTyVar, writeMetaTyVar, newFlexiTyVarTy,
  36                           tcInstSkolTyVars, tcInstTyVar,
  37                           zonkTcKind, zonkType, zonkTcType,  zonkTcTyVarsAndFV,
  38                           readKindVar, writeKindVar )
  39 import TcSimplify       ( tcSimplifyCheck )
  40 import TcEnv            ( tcGetGlobalTyVars, findGlobals )
  41 import TcIface          ( checkWiredInTyCon )
  42 import TcRnMonad         -- TcType, amongst others
  43 import TcType           ( TcKind, TcType, TcTyVar, BoxyTyVar, TcTauType,
  44                           BoxySigmaType, BoxyRhoType, BoxyType,
  45                           TcTyVarSet, TcThetaType, TcTyVarDetails(..), BoxInfo(..),
  46                           SkolemInfo( GenSkol, UnkSkol ), MetaDetails(..), isImmutableTyVar,
  47                           pprSkolTvBinding, isTauTy, isTauTyCon, isSigmaTy,
  48                           mkFunTy, mkFunTys, mkTyConApp, isMetaTyVar,
  49                           tcSplitForAllTys, tcSplitAppTy_maybe, tcSplitFunTys, mkTyVarTys,
  50                           tcSplitSigmaTy, tyVarsOfType, mkPhiTy, mkTyVarTy, mkPredTy,
  51                           typeKind, mkForAllTys, mkAppTy, isBoxyTyVar,
  52                           tcView, exactTyVarsOfType,
  53                           tidyOpenType, tidyOpenTyVar, tidyOpenTyVars,
  54                           pprType, tidyKind, tidySkolemTyVar, isSkolemTyVar, isSigTyVar,
  55                           TvSubst, mkTvSubst, zipTyEnv, zipOpenTvSubst, emptyTvSubst,
  56                           substTy, substTheta,
  57                           lookupTyVar, extendTvSubst )
  58 import Type             ( Kind, SimpleKind, KindVar,
  59                           openTypeKind, liftedTypeKind, unliftedTypeKind,
  60                           mkArrowKind, defaultKind,
  61                           argTypeKind, isLiftedTypeKind, isUnliftedTypeKind,
  62                           isSubKind, pprKind, splitKindFunTys, isSubKindCon,
  63                           isOpenTypeKind, isArgTypeKind )
  64 import TysPrim          ( alphaTy, betaTy )
  65 import Inst             ( newDictBndrsO, instCall, instToId )
  66 import TyCon            ( TyCon, tyConArity, tyConTyVars, isSynTyCon )
  67 import TysWiredIn       ( listTyCon )
  68 import Id               ( Id, mkSysLocal )
  69 import Var              ( Var, varName, tyVarKind, isTcTyVar, tcTyVarDetails )
  70 import VarSet
  71 import VarEnv
  72 import Name             ( Name, isSystemName )
  73 import ErrUtils         ( Message )
  74 import Maybes           ( expectJust, isNothing )
  75 import BasicTypes       ( Arity )
  76 import UniqSupply       ( uniqsFromSupply )
  77 import Util             ( notNull, equalLength )
  78 import Outputable
  79
  80 -- Assertion imports
  81 #ifdef DEBUG
  82 import TcType           ( isBoxyTy, isFlexi )
  83 #endif
  84 \end{code}
  85
  86 %************************************************************************
  87 %*                                                                      *
  88 \subsection{'hole' type variables}
  89 %*                                                                      *
  90 %************************************************************************
  91
  92 \begin{code}
  93 tcInfer :: (BoxyType -> TcM a) -> TcM (a, TcType)
  94 tcInfer tc_infer
  95   = do  { box <- newBoxyTyVar openTypeKind
  96         ; res <- tc_infer (mkTyVarTy box)
  97         ; res_ty <- readFilledBox box   -- Guaranteed filled-in by now
  98         ; return (res, res_ty) }
  99 \end{code}
 100
 101
 102 %************************************************************************
 103 %*                                                                      *
 104         subFunTys
 105 %*                                                                      *
 106 %************************************************************************
 107
 108 \begin{code}
 109 subFunTys :: SDoc  -- Somthing like "The function f has 3 arguments"
 110                    -- or "The abstraction (\x.e) takes 1 argument"
 111           -> Arity              -- Expected # of args
 112           -> BoxyRhoType        -- res_ty
 113           -> ([BoxySigmaType] -> BoxyRhoType -> TcM a)
 114           -> TcM (ExprCoFn, a)
 115 -- Attempt to decompse res_ty to have enough top-level arrows to
 116 -- match the number of patterns in the match group
 117 --
 118 -- If (subFunTys n_args res_ty thing_inside) = (co_fn, res)
 119 -- and the inner call to thing_inside passes args: [a1,...,an], b
 120 -- then co_fn :: (a1 -> ... -> an -> b) -> res_ty
 121 --
 122 -- Note that it takes a BoxyRho type, and guarantees to return a BoxyRhoType
 123
 124
 125 {-      Error messages from subFunTys
 126
 127    The abstraction `\Just 1 -> ...' has two arguments
 128    but its type `Maybe a -> a' has only one
 129
 130    The equation(s) for `f' have two arguments
 131    but its type `Maybe a -> a' has only one
 132
 133    The section `(f 3)' requires 'f' to take two arguments
 134    but its type `Int -> Int' has only one
 135
 136    The function 'f' is applied to two arguments
 137    but its type `Int -> Int' has only one
 138 -}
 139
 140
 141 subFunTys error_herald n_pats res_ty thing_inside
 142   = loop n_pats [] res_ty
 143   where
 144         -- In 'loop', the parameter 'arg_tys' accumulates
 145         -- the arg types so far, in *reverse order*
 146     loop n args_so_far res_ty
 147         | Just res_ty' <- tcView res_ty  = loop n args_so_far res_ty'
 148
 149     loop n args_so_far res_ty
 150         | isSigmaTy res_ty      -- Do this before checking n==0, because we
 151                                 -- guarantee to return a BoxyRhoType, not a BoxySigmaType
 152         = do { (gen_fn, (co_fn, res)) <- tcGen res_ty emptyVarSet $ \ res_ty' ->
 153                                          loop n args_so_far res_ty'
 154              ; return (gen_fn <.> co_fn, res) }
 155
 156     loop 0 args_so_far res_ty
 157         = do { res <- thing_inside (reverse args_so_far) res_ty
 158              ; return (idCoercion, res) }
 159
 160     loop n args_so_far (FunTy arg_ty res_ty)
 161         = do { (co_fn, res) <- loop (n-1) (arg_ty:args_so_far) res_ty
 162              ; co_fn' <- wrapFunResCoercion [arg_ty] co_fn
 163              ; return (co_fn', res) }
 164
 165         -- res_ty might have a type variable at the head, such as (a b c),
 166         -- in which case we must fill in with (->).  Simplest thing to do
 167         -- is to use boxyUnify, but we catch failure and generate our own
 168         -- error message on failure
 169     loop n args_so_far res_ty@(AppTy _ _)
 170         = do { [arg_ty',res_ty'] <- newBoxyTyVarTys [argTypeKind, openTypeKind]
 171              ; (_, mb_unit) <- tryTcErrs $ boxyUnify res_ty (FunTy arg_ty' res_ty')
 172              ; if isNothing mb_unit then bale_out args_so_far
 173                else loop n args_so_far (FunTy arg_ty' res_ty') }
 174
 175     loop n args_so_far (TyVarTy tv)
 176         | not (isImmutableTyVar tv)
 177         = do { cts <- readMetaTyVar tv
 178              ; case cts of
 179                  Indirect ty -> loop n args_so_far ty
 180                  Flexi -> do { (res_ty:arg_tys) <- withMetaTvs tv kinds mk_res_ty
 181                              ; res <- thing_inside (reverse args_so_far ++ arg_tys) res_ty
 182                              ; return (idCoercion, res) } }
 183         where
 184           mk_res_ty (res_ty' : arg_tys') = mkFunTys arg_tys' res_ty'
 185           mk_res_ty [] = panic "TcUnify.mk_res_ty1"
 186           kinds = openTypeKind : take n (repeat argTypeKind)
 187                 -- Note argTypeKind: the args can have an unboxed type,
 188                 -- but not an unboxed tuple.
 189
 190     loop n args_so_far res_ty = bale_out args_so_far
 191
 192     bale_out args_so_far
 193         = do { env0 <- tcInitTidyEnv
 194              ; res_ty' <- zonkTcType res_ty
 195              ; let (env1, res_ty'') = tidyOpenType env0 res_ty'
 196              ; failWithTcM (env1, mk_msg res_ty'' (length args_so_far)) }
 197
 198     mk_msg res_ty n_actual
 199       = error_herald <> comma $$
 200         sep [ptext SLIT("but its type") <+> quotes (pprType res_ty),
 201              if n_actual == 0 then ptext SLIT("has none")
 202              else ptext SLIT("has only") <+> speakN n_actual]
 203 \end{code}
 204
 205 \begin{code}
 206 ----------------------
 207 boxySplitTyConApp :: TyCon                      -- T :: k1 -> ... -> kn -> *
 208                   -> BoxyRhoType                -- Expected type (T a b c)
 209                   -> TcM [BoxySigmaType]        -- Element types, a b c
 210   -- It's used for wired-in tycons, so we call checkWiredInTyCOn
 211   -- Precondition: never called with FunTyCon
 212   -- Precondition: input type :: *
 213
 214 boxySplitTyConApp tc orig_ty
 215   = do  { checkWiredInTyCon tc
 216         ; loop (tyConArity tc) [] orig_ty }
 217   where
 218     loop n_req args_so_far ty
 219       | Just ty' <- tcView ty = loop n_req args_so_far ty'
 220
 221     loop n_req args_so_far (TyConApp tycon args)
 222       | tc == tycon
 223       = ASSERT( n_req == length args)   -- ty::*
 224         return (args ++ args_so_far)
 225
 226     loop n_req args_so_far (AppTy fun arg)
 227       = loop (n_req - 1) (arg:args_so_far) fun
 228
 229     loop n_req args_so_far (TyVarTy tv)
 230       | not (isImmutableTyVar tv)
 231       = do { cts <- readMetaTyVar tv
 232            ; case cts of
 233                Indirect ty -> loop n_req args_so_far ty
 234                Flexi       -> do { arg_tys <- withMetaTvs tv arg_kinds mk_res_ty
 235                                  ; return (arg_tys ++ args_so_far) }
 236         }
 237       where
 238         mk_res_ty arg_tys' = mkTyConApp tc arg_tys'
 239         arg_kinds = map tyVarKind (take n_req (tyConTyVars tc))
 240
 241     loop _ _ _ = boxySplitFailure (mkTyConApp tc (mkTyVarTys (tyConTyVars tc))) orig_ty
 242
 243 ----------------------
 244 boxySplitListTy :: BoxyRhoType -> TcM BoxySigmaType     -- Special case for lists
 245 boxySplitListTy exp_ty = do { [elt_ty] <- boxySplitTyConApp listTyCon exp_ty
 246                             ; return elt_ty }
 247
 248
 249 ----------------------
 250 boxySplitAppTy :: BoxyRhoType                           -- Type to split: m a
 251                -> TcM (BoxySigmaType, BoxySigmaType)    -- Returns m, a
 252 -- Assumes (m: * -> k), where k is the kind of the incoming type
 253 -- If the incoming type is boxy, then so are the result types; and vice versa
 254
 255 boxySplitAppTy orig_ty
 256   = loop orig_ty
 257   where
 258     loop ty
 259       | Just ty' <- tcView ty = loop ty'
 260
 261     loop ty
 262       | Just (fun_ty, arg_ty) <- tcSplitAppTy_maybe ty
 263       = return (fun_ty, arg_ty)
 264
 265     loop (TyVarTy tv)
 266       | not (isImmutableTyVar tv)
 267       = do { cts <- readMetaTyVar tv
 268            ; case cts of
 269                Indirect ty -> loop ty
 270                Flexi       -> do { [fun_ty,arg_ty] <- withMetaTvs tv kinds mk_res_ty
 271                                  ; return (fun_ty, arg_ty) } }
 272       where
 273         mk_res_ty [fun_ty', arg_ty'] = mkAppTy fun_ty' arg_ty'
 274         mk_res_ty other = panic "TcUnify.mk_res_ty2"
 275         tv_kind = tyVarKind tv
 276         kinds = [mkArrowKind liftedTypeKind (defaultKind tv_kind),
 277                                                 -- m :: * -> k
 278                  liftedTypeKind]                -- arg type :: *
 279         -- The defaultKind is a bit smelly.  If you remove it,
 280         -- try compiling        f x = do { x }
 281         -- and you'll get a kind mis-match.  It smells, but
 282         -- not enough to lose sleep over.
 283
 284     loop _ = boxySplitFailure (mkAppTy alphaTy betaTy) orig_ty
 285
 286 ------------------
 287 boxySplitFailure actual_ty expected_ty
 288   = unifyMisMatch False False actual_ty expected_ty
 289         -- "outer" is False, so we don't pop the context
 290         -- which is what we want since we have not pushed one!
 291 \end{code}
 292
 293
 294 --------------------------------
 295 -- withBoxes: the key utility function
 296 --------------------------------
 297
 298 \begin{code}
 299 withMetaTvs :: TcTyVar  -- An unfilled-in, non-skolem, meta type variable
 300             -> [Kind]   -- Make fresh boxes (with the same BoxTv/TauTv setting as tv)
 301             -> ([BoxySigmaType] -> BoxySigmaType)
 302                                         -- Constructs the type to assign
 303                                         -- to the original var
 304             -> TcM [BoxySigmaType]      -- Return the fresh boxes
 305
 306 -- It's entirely possible for the [kind] to be empty.
 307 -- For example, when pattern-matching on True,
 308 -- we call boxySplitTyConApp passing a boolTyCon
 309
 310 -- Invariant: tv is still Flexi
 311
 312 withMetaTvs tv kinds mk_res_ty
 313   | isBoxyTyVar tv
 314   = do  { box_tvs <- mapM (newMetaTyVar BoxTv) kinds
 315         ; let box_tys = mkTyVarTys box_tvs
 316         ; writeMetaTyVar tv (mk_res_ty box_tys)
 317         ; return box_tys }
 318
 319   | otherwise                   -- Non-boxy meta type variable
 320   = do  { tau_tys <- mapM newFlexiTyVarTy kinds
 321         ; writeMetaTyVar tv (mk_res_ty tau_tys) -- Write it *first*
 322                                                 -- Sure to be a tau-type
 323         ; return tau_tys }
 324
 325 withBox :: Kind -> (BoxySigmaType -> TcM a) -> TcM (a, TcType)
 326 -- Allocate a *boxy* tyvar
 327 withBox kind thing_inside
 328   = do  { box_tv <- newMetaTyVar BoxTv kind
 329         ; res <- thing_inside (mkTyVarTy box_tv)
 330         ; ty  <- readFilledBox box_tv
 331         ; return (res, ty) }
 332 \end{code}
 333
 334
 335 %************************************************************************
 336 %*                                                                      *
 337                 Approximate boxy matching
 338 %*                                                                      *
 339 %************************************************************************
 340
 341 \begin{code}
 342 preSubType :: [TcTyVar]         -- Quantified type variables
 343            -> TcTyVarSet        -- Subset of quantified type variables
 344                                 --   see Note [Pre-sub boxy]
 345             -> TcType           -- The rho-type part; quantified tyvars scopes over this
 346             -> BoxySigmaType    -- Matching type from the context
 347             -> TcM [TcType]     -- Types to instantiate the tyvars
 348 -- Perform pre-subsumption, and return suitable types
 349 -- to instantiate the quantified type varibles:
 350 --      info from the pre-subsumption, if there is any
 351 --      a boxy type variable otherwise
 352 --
 353 -- Note [Pre-sub boxy]
 354 --   The 'btvs' are a subset of 'qtvs'.  They are the ones we can
 355 --   instantiate to a boxy type variable, because they'll definitely be
 356 --   filled in later.  This isn't always the case; sometimes we have type
 357 --   variables mentioned in the context of the type, but not the body;
 358 --                f :: forall a b. C a b => a -> a
 359 --   Then we may land up with an unconstrained 'b', so we want to
 360 --   instantiate it to a monotype (non-boxy) type variable
 361 --
 362 -- The 'qtvs' that are *neither* fixed by the pre-subsumption, *nor* are in 'btvs',
 363 -- are instantiated to TauTv meta variables.
 364
 365 preSubType qtvs btvs qty expected_ty
 366   = do { tys <- mapM inst_tv qtvs
 367         ; traceTc (text "preSubType" <+> (ppr qtvs $$ ppr btvs $$ ppr qty $$ ppr expected_ty $$ ppr pre_subst $$ ppr tys))
 368         ; return tys }
 369   where
 370     pre_subst = boxySubMatchType (mkVarSet qtvs) qty expected_ty
 371     inst_tv tv
 372         | Just boxy_ty <- lookupTyVar pre_subst tv = return boxy_ty
 373         | tv `elemVarSet` btvs = do { tv' <- tcInstBoxyTyVar tv
 374                                     ; return (mkTyVarTy tv') }
 375         | otherwise            = do { tv' <- tcInstTyVar tv
 376                                     ; return (mkTyVarTy tv') }
 377
 378 boxySubMatchType
 379         :: TcTyVarSet -> TcType -- The "template"; the tyvars are skolems
 380         -> BoxyRhoType          -- Type to match (note a *Rho* type)
 381         -> TvSubst              -- Substitution of the [TcTyVar] to BoxySigmaTypes
 382
 383 -- boxySubMatchType implements the Pre-subsumption judgement, in Fig 5 of the paper
 384 -- "Boxy types: inference for higher rank types and impredicativity"
 385
 386 boxySubMatchType tmpl_tvs tmpl_ty boxy_ty
 387   = go tmpl_tvs tmpl_ty emptyVarSet boxy_ty
 388   where
 389     go t_tvs t_ty b_tvs b_ty
 390         | Just t_ty' <- tcView t_ty = go t_tvs t_ty' b_tvs b_ty
 391         | Just b_ty' <- tcView b_ty = go t_tvs t_ty b_tvs b_ty'
 392
 393     go t_tvs (TyVarTy _) b_tvs b_ty = emptyTvSubst      -- Rule S-ANY; no bindings
 394         -- Rule S-ANY covers (a) type variables and (b) boxy types
 395         -- in the template.  Both look like a TyVarTy.
 396         -- See Note [Sub-match] below
 397
 398     go t_tvs t_ty b_tvs b_ty
 399         | isSigmaTy t_ty, (tvs, _, t_tau) <- tcSplitSigmaTy t_ty
 400         = go (t_tvs `delVarSetList` tvs) t_tau b_tvs b_ty       -- Rule S-SPEC
 401                 -- Under a forall on the left, if there is shadowing,
 402                 -- do not bind! Hence the delVarSetList.
 403         | isSigmaTy b_ty, (tvs, _, b_tau) <- tcSplitSigmaTy b_ty
 404         = go t_tvs t_ty (extendVarSetList b_tvs tvs) b_tau      -- Rule S-SKOL
 405                 -- Add to the variables we must not bind to
 406         -- NB: it's *important* to discard the theta part. Otherwise
 407         -- consider (forall a. Eq a => a -> b) ~<~ (Int -> Int -> Bool)
 408         -- and end up with a completely bogus binding (b |-> Bool), by lining
 409         -- up the (Eq a) with the Int, whereas it should be (b |-> (Int->Bool)).
 410         -- This pre-subsumption stuff can return too few bindings, but it
 411         -- must *never* return bogus info.
 412
 413     go t_tvs (FunTy arg1 res1) b_tvs (FunTy arg2 res2)  -- Rule S-FUN
 414         = boxy_match t_tvs arg1 b_tvs arg2 (go t_tvs res1 b_tvs res2)
 415         -- Match the args, and sub-match the results
 416
 417     go t_tvs t_ty b_tvs b_ty = boxy_match t_tvs t_ty b_tvs b_ty emptyTvSubst
 418         -- Otherwise defer to boxy matching
 419         -- This covers TyConApp, AppTy, PredTy
 420 \end{code}
 421
 422 Note [Sub-match]
 423 ~~~~~~~~~~~~~~~~
 424 Consider this
 425         head :: [a] -> a
 426         |- head xs : <rhobox>
 427 We will do a boxySubMatchType between   a ~ <rhobox>
 428 But we *don't* want to match [a |-> <rhobox>] because
 429     (a) The box should be filled in with a rho-type, but
 430            but the returned substitution maps TyVars to boxy
 431            *sigma* types
 432     (b) In any case, the right final answer might be *either*
 433            instantiate 'a' with a rho-type or a sigma type
 434            head xs : Int   vs   head xs : forall b. b->b
 435 So the matcher MUST NOT make a choice here.   In general, we only
 436 bind a template type variable in boxyMatchType, not in boxySubMatchType.
 437
 438
 439 \begin{code}
 440 boxyMatchTypes
 441         :: TcTyVarSet -> [TcType] -- The "template"; the tyvars are skolems
 442         -> [BoxySigmaType]        -- Type to match
 443         -> TvSubst                -- Substitution of the [TcTyVar] to BoxySigmaTypes
 444
 445 -- boxyMatchTypes implements the Pre-matching judgement, in Fig 5 of the paper
 446 -- "Boxy types: inference for higher rank types and impredicativity"
 447
 448 -- Find a *boxy* substitution that makes the template look as much
 449 --      like the BoxySigmaType as possible.
 450 -- It's always ok to return an empty substitution;
 451 --      anything more is jam on the pudding
 452 --
 453 -- NB1: This is a pure, non-monadic function.
 454 --      It does no unification, and cannot fail
 455 --
 456 -- Precondition: the arg lengths are equal
 457 -- Precondition: none of the template type variables appear anywhere in the [BoxySigmaType]
 458 --
 459
 460 ------------
 461 boxyMatchTypes tmpl_tvs tmpl_tys boxy_tys
 462   = ASSERT( length tmpl_tys == length boxy_tys )
 463     boxy_match_s tmpl_tvs tmpl_tys emptyVarSet boxy_tys emptyTvSubst
 464         -- ToDo: add error context?
 465
 466 boxy_match_s tmpl_tvs [] boxy_tvs [] subst
 467   = subst
 468 boxy_match_s tmpl_tvs (t_ty:t_tys) boxy_tvs (b_ty:b_tys) subst
 469   = boxy_match tmpl_tvs t_ty boxy_tvs b_ty $
 470     boxy_match_s tmpl_tvs t_tys boxy_tvs b_tys subst
 471 boxy_match_s tmpl_tvs _ boxy_tvs _ subst
 472   = panic "boxy_match_s"        -- Lengths do not match
 473
 474
 475 ------------
 476 boxy_match :: TcTyVarSet -> TcType      -- Template
 477            -> TcTyVarSet                -- boxy_tvs: do not bind template tyvars to any of these
 478            -> BoxySigmaType             -- Match against this type
 479            -> TvSubst
 480            -> TvSubst
 481
 482 -- The boxy_tvs argument prevents this match:
 483 --      [a]  forall b. a  ~  forall b. b
 484 -- We don't want to bind the template variable 'a'
 485 -- to the quantified type variable 'b'!
 486
 487 boxy_match tmpl_tvs orig_tmpl_ty boxy_tvs orig_boxy_ty subst
 488   = go orig_tmpl_ty orig_boxy_ty
 489   where
 490     go t_ty b_ty
 491         | Just t_ty' <- tcView t_ty = go t_ty' b_ty
 492         | Just b_ty' <- tcView b_ty = go t_ty b_ty'
 493
 494     go ty1 ty2          -- C.f. the isSigmaTy case for boxySubMatchType
 495         | isSigmaTy ty1
 496         , (tvs1, _, tau1) <- tcSplitSigmaTy ty1
 497         , (tvs2, _, tau2) <- tcSplitSigmaTy ty2
 498         , equalLength tvs1 tvs2
 499         = boxy_match (tmpl_tvs `delVarSetList` tvs1)    tau1
 500                      (boxy_tvs `extendVarSetList` tvs2) tau2 subst
 501
 502     go (TyConApp tc1 tys1) (TyConApp tc2 tys2)
 503         | tc1 == tc2 = go_s tys1 tys2
 504
 505     go (FunTy arg1 res1) (FunTy arg2 res2)
 506         = go_s [arg1,res1] [arg2,res2]
 507
 508     go t_ty b_ty
 509         | Just (s1,t1) <- tcSplitAppTy_maybe t_ty,
 510           Just (s2,t2) <- tcSplitAppTy_maybe b_ty,
 511           typeKind t2 `isSubKind` typeKind t1   -- Maintain invariant
 512         = go_s [s1,t1] [s2,t2]
 513
 514     go (TyVarTy tv) b_ty
 515         | tv `elemVarSet` tmpl_tvs      -- Template type variable in the template
 516         , not (intersectsVarSet boxy_tvs (tyVarsOfType orig_boxy_ty))
 517         , typeKind b_ty `isSubKind` tyVarKind tv  -- See Note [Matching kinds]
 518         = extendTvSubst subst tv boxy_ty'
 519         | otherwise
 520         = subst                         -- Ignore others
 521         where
 522           boxy_ty' = case lookupTyVar subst tv of
 523                         Nothing -> orig_boxy_ty
 524                         Just ty -> ty `boxyLub` orig_boxy_ty
 525
 526     go _ _ = emptyTvSubst       -- It's important to *fail* by returning the empty substitution
 527         -- Example:  Tree a ~ Maybe Int
 528         -- We do not want to bind (a |-> Int) in pre-matching, because that can give very
 529         -- misleading error messages.  An even more confusing case is
 530         --           a -> b ~ Maybe Int
 531         -- Then we do not want to bind (b |-> Int)!  It's always safe to discard bindings
 532         -- from this pre-matching phase.
 533
 534     --------
 535     go_s tys1 tys2 = boxy_match_s tmpl_tvs tys1 boxy_tvs tys2 subst
 536
 537
 538 boxyLub :: BoxySigmaType -> BoxySigmaType -> BoxySigmaType
 539 -- Combine boxy information from the two types
 540 -- If there is a conflict, return the first
 541 boxyLub orig_ty1 orig_ty2
 542   = go orig_ty1 orig_ty2
 543   where
 544     go (AppTy f1 a1) (AppTy f2 a2) = AppTy (boxyLub f1 f2) (boxyLub a1 a2)
 545     go (FunTy f1 a1) (FunTy f2 a2) = FunTy (boxyLub f1 f2) (boxyLub a1 a2)
 546     go (TyConApp tc1 ts1) (TyConApp tc2 ts2)
 547       | tc1 == tc2, length ts1 == length ts2
 548       = TyConApp tc1 (zipWith boxyLub ts1 ts2)
 549
 550     go (TyVarTy tv1) ty2                -- This is the whole point;
 551       | isTcTyVar tv1, isBoxyTyVar tv1  -- choose ty2 if ty2 is a box
 552       = orig_ty2
 553
 554         -- Look inside type synonyms, but only if the naive version fails
 555     go ty1 ty2 | Just ty1' <- tcView ty1 = go ty1' ty2
 556                | Just ty2' <- tcView ty1 = go ty1 ty2'
 557
 558     -- For now, we don't look inside ForAlls, PredTys
 559     go ty1 ty2 = orig_ty1       -- Default
 560 \end{code}
 561
 562 Note [Matching kinds]
 563 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 564 The target type might legitimately not be a sub-kind of template.
 565 For example, suppose the target is simply a box with an OpenTypeKind,
 566 and the template is a type variable with LiftedTypeKind.
 567 Then it's ok (because the target type will later be refined).
 568 We simply don't bind the template type variable.
 569
 570 It might also be that the kind mis-match is an error. For example,
 571 suppose we match the template (a -> Int) against (Int# -> Int),
 572 where the template type variable 'a' has LiftedTypeKind.  This
 573 matching function does not fail; it simply doesn't bind the template.
 574 Later stuff will fail.
 575
 576 %************************************************************************
 577 %*                                                                      *
 578                 Subsumption checking
 579 %*                                                                      *
 580 %************************************************************************
 581
 582 All the tcSub calls have the form
 583
 584                 tcSub expected_ty offered_ty
 585 which checks
 586                 offered_ty <= expected_ty
 587
 588 That is, that a value of type offered_ty is acceptable in
 589 a place expecting a value of type expected_ty.
 590
 591 It returns a coercion function
 592         co_fn :: offered_ty -> expected_ty
 593 which takes an HsExpr of type offered_ty into one of type
 594 expected_ty.
 595
 596 \begin{code}
 597 -----------------
 598 tcSubExp :: BoxySigmaType -> BoxySigmaType -> TcM ExprCoFn      -- Locally used only
 599         -- (tcSub act exp) checks that
 600         --      act <= exp
 601 tcSubExp actual_ty expected_ty
 602   = -- addErrCtxtM (unifyCtxt actual_ty expected_ty) $
 603     -- Adding the error context here leads to some very confusing error
 604     -- messages, such as "can't match foarall a. a->a with forall a. a->a"
 605     -- So instead I'm adding it when moving from tc_sub to u_tys
 606     traceTc (text "tcSubExp" <+> ppr actual_ty <+> ppr expected_ty) >>
 607     tc_sub Nothing actual_ty actual_ty False expected_ty expected_ty
 608
 609 tcFunResTy :: Name -> BoxySigmaType -> BoxySigmaType -> TcM ExprCoFn    -- Locally used only
 610 tcFunResTy fun actual_ty expected_ty
 611   = traceTc (text "tcFunResTy" <+> ppr actual_ty <+> ppr expected_ty) >>
 612     tc_sub (Just fun) actual_ty actual_ty False expected_ty expected_ty
 613
 614 -----------------
 615 tc_sub :: Maybe Name            -- Just fun => we're looking at a function result type
 616        -> BoxySigmaType         -- actual_ty, before expanding synonyms
 617        -> BoxySigmaType         --              ..and after
 618        -> InBox                 -- True <=> expected_ty is inside a box
 619        -> BoxySigmaType         -- expected_ty, before
 620        -> BoxySigmaType         --              ..and after
 621        -> TcM ExprCoFn
 622                                 -- The acual_ty is never inside a box
 623 -- IMPORTANT pre-condition: if the args contain foralls, the bound type
 624 --                          variables are visible non-monadically
 625 --                          (i.e. tha args are sufficiently zonked)
 626 -- This invariant is needed so that we can "see" the foralls, ad
 627 -- e.g. in the SPEC rule where we just use splitSigmaTy
 628
 629 tc_sub mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty
 630   = tc_sub1 mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty
 631         -- This indirection is just here to make
 632         -- it easy to insert a debug trace!
 633
 634 tc_sub1 mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty
 635   | Just exp_ty' <- tcView exp_ty = tc_sub mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty'
 636 tc_sub1 mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty
 637   | Just act_ty' <- tcView act_ty = tc_sub mb_fun act_sty act_ty' exp_ib exp_sty exp_ty
 638
 639 -----------------------------------
 640 -- Rule SBOXY, plus other cases when act_ty is a type variable
 641 -- Just defer to boxy matching
 642 -- This rule takes precedence over SKOL!
 643 tc_sub1 mb_fun act_sty (TyVarTy tv) exp_ib exp_sty exp_ty
 644   = do  { addErrCtxtM (subCtxt mb_fun act_sty exp_sty) $
 645           uVar True False tv exp_ib exp_sty exp_ty
 646         ; return idCoercion }
 647
 648 -----------------------------------
 649 -- Skolemisation case (rule SKOL)
 650 --      actual_ty:   d:Eq b => b->b
 651 --      expected_ty: forall a. Ord a => a->a
 652 --      co_fn e      /\a. \d2:Ord a. let d = eqFromOrd d2 in e
 653
 654 -- It is essential to do this *before* the specialisation case
 655 -- Example:  f :: (Eq a => a->a) -> ...
 656 --           g :: Ord b => b->b
 657 -- Consider  f g !
 658
 659 tc_sub1 mb_fun act_sty act_ty exp_ib exp_sty exp_ty
 660   | not exp_ib,         -- SKOL does not apply if exp_ty is inside a box
 661     isSigmaTy exp_ty
 662   = do  { (gen_fn, co_fn) <- tcGen exp_ty act_tvs $ \ body_exp_ty ->
 663                              tc_sub mb_fun act_sty act_ty False body_exp_ty body_exp_ty
 664         ; return (gen_fn <.> co_fn) }
 665   where
 666     act_tvs = tyVarsOfType act_ty
 667                 -- It's really important to check for escape wrt
 668                 -- the free vars of both expected_ty *and* actual_ty
 669
 670 -----------------------------------
 671 -- Specialisation case (rule ASPEC):
 672 --      actual_ty:   forall a. Ord a => a->a
 673 --      expected_ty: Int -> Int
 674 --      co_fn e =    e Int dOrdInt
 675
 676 tc_sub1 mb_fun act_sty actual_ty exp_ib exp_sty expected_ty
 677 -- Implements the new SPEC rule in the Appendix of the paper
 678 -- "Boxy types: inference for higher rank types and impredicativity"
 679 -- (This appendix isn't in the published version.)
 680 -- The idea is to *first* do pre-subsumption, and then full subsumption
 681 -- Example:     forall a. a->a  <=  Int -> (forall b. Int)
 682 --   Pre-subsumpion finds a|->Int, and that works fine, whereas
 683 --   just running full subsumption would fail.
 684   | isSigmaTy actual_ty
 685   = do  {       -- Perform pre-subsumption, and instantiate
 686                 -- the type with info from the pre-subsumption;
 687                 -- boxy tyvars if pre-subsumption gives no info
 688           let (tyvars, theta, tau) = tcSplitSigmaTy actual_ty
 689               tau_tvs = exactTyVarsOfType tau
 690         ; inst_tys <- if exp_ib then    -- Inside a box, do not do clever stuff
 691                         do { tyvars' <- mapM tcInstBoxyTyVar tyvars
 692                            ; return (mkTyVarTys tyvars') }
 693                       else              -- Outside, do clever stuff
 694                         preSubType tyvars tau_tvs tau expected_ty
 695         ; let subst' = zipOpenTvSubst tyvars inst_tys
 696               tau'   = substTy subst' tau
 697
 698                 -- Perform a full subsumption check
 699         ; traceTc (text "tc_sub_spec" <+> vcat [ppr actual_ty,
 700                                                 ppr tyvars <+> ppr theta <+> ppr tau,
 701                                                 ppr tau'])
 702         ; co_fn2 <- tc_sub mb_fun tau' tau' exp_ib exp_sty expected_ty
 703
 704                 -- Deal with the dictionaries
 705         ; co_fn1 <- instCall InstSigOrigin inst_tys (substTy subst' theta)
 706         ; return (co_fn2 <.> co_fn1) }
 707
 708 -----------------------------------
 709 -- Function case (rule F1)
 710 tc_sub1 mb_fun _ (FunTy act_arg act_res) exp_ib _ (FunTy exp_arg exp_res)
 711   = tc_sub_funs mb_fun act_arg act_res exp_ib exp_arg exp_res
 712
 713 -- Function case (rule F2)
 714 tc_sub1 mb_fun act_sty act_ty@(FunTy act_arg act_res) _ exp_sty (TyVarTy exp_tv)
 715   | isBoxyTyVar exp_tv
 716   = do  { cts <- readMetaTyVar exp_tv
 717         ; case cts of
 718             Indirect ty -> tc_sub mb_fun act_sty act_ty True exp_sty ty
 719             Flexi       -> do { [arg_ty,res_ty] <- withMetaTvs exp_tv fun_kinds mk_res_ty
 720                               ; tc_sub_funs mb_fun act_arg act_res True arg_ty res_ty } }
 721  where
 722     mk_res_ty [arg_ty', res_ty'] = mkFunTy arg_ty' res_ty'
 723     mk_res_ty other = panic "TcUnify.mk_res_ty3"
 724     fun_kinds = [argTypeKind, openTypeKind]
 725
 726 -- Everything else: defer to boxy matching
 727 tc_sub1 mb_fun act_sty actual_ty exp_ib exp_sty expected_ty
 728   = do  { addErrCtxtM (subCtxt mb_fun act_sty exp_sty) $
 729           u_tys True False act_sty actual_ty exp_ib exp_sty expected_ty
 730         ; return idCoercion }
 731
 732
 733 -----------------------------------
 734 tc_sub_funs mb_fun act_arg act_res exp_ib exp_arg exp_res
 735   = do  { uTys False act_arg exp_ib exp_arg
 736         ; co_fn_res <- tc_sub mb_fun act_res act_res exp_ib exp_res exp_res
 737         ; wrapFunResCoercion [exp_arg] co_fn_res }
 738
 739 -----------------------------------
 740 wrapFunResCoercion
 741         :: [TcType]     -- Type of args
 742         -> ExprCoFn     -- HsExpr a -> HsExpr b
 743         -> TcM ExprCoFn -- HsExpr (arg_tys -> a) -> HsExpr (arg_tys -> b)
 744 wrapFunResCoercion arg_tys co_fn_res
 745   | isIdCoercion co_fn_res = return idCoercion
 746   | null arg_tys           = return co_fn_res
 747   | otherwise
 748   = do  { us <- newUniqueSupply
 749         ; let arg_ids = zipWith (mkSysLocal FSLIT("sub")) (uniqsFromSupply us) arg_tys
 750         ; return (mkCoLams arg_ids <.> co_fn_res <.> mkCoApps arg_ids) }
 751 \end{code}
 752
 753
 754
 755 %************************************************************************
 756 %*                                                                      *
 757 \subsection{Generalisation}
 758 %*                                                                      *
 759 %************************************************************************
 760
 761 \begin{code}
 762 tcGen :: BoxySigmaType                          -- expected_ty
 763       -> TcTyVarSet                             -- Extra tyvars that the universally
 764                                                 --      quantified tyvars of expected_ty
 765                                                 --      must not be unified
 766       -> (BoxyRhoType -> TcM result)            -- spec_ty
 767       -> TcM (ExprCoFn, result)
 768         -- The expression has type: spec_ty -> expected_ty
 769
 770 tcGen expected_ty extra_tvs thing_inside        -- We expect expected_ty to be a forall-type
 771                                                 -- If not, the call is a no-op
 772   = do  {       -- We want the GenSkol info in the skolemised type variables to
 773                 -- mention the *instantiated* tyvar names, so that we get a
 774                 -- good error message "Rigid variable 'a' is bound by (forall a. a->a)"
 775                 -- Hence the tiresome but innocuous fixM
 776           ((forall_tvs, theta, rho_ty), skol_info) <- fixM (\ ~(_, skol_info) ->
 777                 do { (forall_tvs, theta, rho_ty) <- tcInstSkolType skol_info expected_ty
 778                    ; span <- getSrcSpanM
 779                    ; let skol_info = GenSkol forall_tvs (mkPhiTy theta rho_ty) span
 780                    ; return ((forall_tvs, theta, rho_ty), skol_info) })
 781
 782 #ifdef DEBUG
 783         ; traceTc (text "tcGen" <+> vcat [text "extra_tvs" <+> ppr extra_tvs,
 784                                     text "expected_ty" <+> ppr expected_ty,
 785                                     text "inst ty" <+> ppr forall_tvs <+> ppr theta <+> ppr rho_ty,
 786                                     text "free_tvs" <+> ppr free_tvs,
 787                                     text "forall_tvs" <+> ppr forall_tvs])
 788 #endif
 789
 790         -- Type-check the arg and unify with poly type
 791         ; (result, lie) <- getLIE (thing_inside rho_ty)
 792
 793         -- Check that the "forall_tvs" havn't been constrained
 794         -- The interesting bit here is that we must include the free variables
 795         -- of the expected_ty.  Here's an example:
 796         --       runST (newVar True)
 797         -- Here, if we don't make a check, we'll get a type (ST s (MutVar s Bool))
 798         -- for (newVar True), with s fresh.  Then we unify with the runST's arg type
 799         -- forall s'. ST s' a. That unifies s' with s, and a with MutVar s Bool.
 800         -- So now s' isn't unconstrained because it's linked to a.
 801         -- Conclusion: include the free vars of the expected_ty in the
 802         -- list of "free vars" for the signature check.
 803
 804         ; dicts <- newDictBndrsO (SigOrigin skol_info) theta
 805         ; inst_binds <- tcSimplifyCheck sig_msg forall_tvs dicts lie
 806
 807         ; checkSigTyVarsWrt free_tvs forall_tvs
 808         ; traceTc (text "tcGen:done")
 809
 810         ; let
 811             -- The CoLet binds any Insts which came out of the simplification.
 812                 dict_ids = map instToId dicts
 813                 co_fn = mkCoTyLams forall_tvs <.> mkCoLams dict_ids <.> CoLet inst_binds
 814         ; returnM (co_fn, result) }
 815   where
 816     free_tvs = tyVarsOfType expected_ty `unionVarSet` extra_tvs
 817     sig_msg  = ptext SLIT("expected type of an expression")
 818 \end{code}
 819
 820
 821
 822 %************************************************************************
 823 %*                                                                      *
 824                 Boxy unification
 825 %*                                                                      *
 826 %************************************************************************
 827
 828 The exported functions are all defined as versions of some
 829 non-exported generic functions.
 830
 831 \begin{code}
 832 boxyUnify :: BoxyType -> BoxyType -> TcM ()
 833 -- Acutal and expected, respectively
 834 boxyUnify ty1 ty2
 835   = addErrCtxtM (unifyCtxt ty1 ty2) $
 836     uTysOuter False ty1 False ty2
 837
 838 ---------------
 839 boxyUnifyList :: [BoxyType] -> [BoxyType] -> TcM ()
 840 -- Arguments should have equal length
 841 -- Acutal and expected types
 842 boxyUnifyList tys1 tys2 = uList boxyUnify tys1 tys2
 843
 844 ---------------
 845 unifyType :: TcTauType -> TcTauType -> TcM ()
 846 -- No boxes expected inside these types
 847 -- Acutal and expected types
 848 unifyType ty1 ty2       -- ty1 expected, ty2 inferred
 849   = ASSERT2( not (isBoxyTy ty1), ppr ty1 )
 850     ASSERT2( not (isBoxyTy ty2), ppr ty2 )
 851     addErrCtxtM (unifyCtxt ty1 ty2) $
 852     uTysOuter True ty1 True ty2
 853
 854 ---------------
 855 unifyPred :: PredType -> PredType -> TcM ()
 856 -- Acutal and expected types
 857 unifyPred p1 p2 = addErrCtxtM (unifyCtxt (mkPredTy p1) (mkPredTy p2)) $
 858                   uPred True True p1 True p2
 859
 860 unifyTheta :: TcThetaType -> TcThetaType -> TcM ()
 861 -- Acutal and expected types
 862 unifyTheta theta1 theta2
 863   = do  { checkTc (equalLength theta1 theta2)
 864                   (ptext SLIT("Contexts differ in length"))
 865         ; uList unifyPred theta1 theta2 }
 866
 867 ---------------
 868 uList :: (a -> a -> TcM ())
 869        -> [a] -> [a] -> TcM ()
 870 -- Unify corresponding elements of two lists of types, which
 871 -- should be f equal length.  We charge down the list explicitly so that
 872 -- we can complain if their lengths differ.
 873 uList unify []         []         = return ()
 874 uList unify (ty1:tys1) (ty2:tys2) = do { unify ty1 ty2; uList unify tys1 tys2 }
 875 uList unify ty1s ty2s = panic "Unify.uList: mismatched type lists!"
 876 \end{code}
 877
 878 @unifyTypeList@ takes a single list of @TauType@s and unifies them
 879 all together.  It is used, for example, when typechecking explicit
 880 lists, when all the elts should be of the same type.
 881
 882 \begin{code}
 883 unifyTypeList :: [TcTauType] -> TcM ()
 884 unifyTypeList []                 = returnM ()
 885 unifyTypeList [ty]               = returnM ()
 886 unifyTypeList (ty1:tys@(ty2:_)) = do { unifyType ty1 ty2
 887                                       ; unifyTypeList tys }
 888 \end{code}
 889
 890 %************************************************************************
 891 %*                                                                      *
 892 \subsection[Unify-uTys]{@uTys@: getting down to business}
 893 %*                                                                      *
 894 %************************************************************************
 895
 896 @uTys@ is the heart of the unifier.  Each arg happens twice, because
 897 we want to report errors in terms of synomyms if poss.  The first of
 898 the pair is used in error messages only; it is always the same as the
 899 second, except that if the first is a synonym then the second may be a
 900 de-synonym'd version.  This way we get better error messages.
 901
 902 We call the first one \tr{ps_ty1}, \tr{ps_ty2} for ``possible synomym''.
 903
 904 \begin{code}
 905 type InBox = Bool       -- True  <=> we are inside a box
 906                         -- False <=> we are outside a box
 907         -- The importance of this is that if we get "filled-box meets
 908         -- filled-box", we'll look into the boxes and unify... but
 909         -- we must not allow polytypes.  But if we are in a box on
 910         -- just one side, then we can allow polytypes
 911
 912 type Outer = Bool       -- True <=> this is the outer level of a unification
 913                         --          so that the types being unified are the
 914                         --          very ones we began with, not some sub
 915                         --          component or synonym expansion
 916 -- The idea is that if Outer is true then unifyMisMatch should
 917 -- pop the context to remove the "Expected/Acutal" context
 918
 919 uTysOuter, uTys
 920      :: InBox -> TcType -- ty1 is the *expected* type
 921      -> InBox -> TcType -- ty2 is the *actual* type
 922      -> TcM ()
 923 uTysOuter nb1 ty1 nb2 ty2 = do { traceTc (text "uTysOuter" <+> ppr ty1 <+> ppr ty2)
 924                                ; u_tys True nb1 ty1 ty1 nb2 ty2 ty2 }
 925 uTys      nb1 ty1 nb2 ty2 = do { traceTc (text "uTys" <+> ppr ty1 <+> ppr ty2)
 926                                ; u_tys False nb1 ty1 ty1 nb2 ty2 ty2 }
 927
 928
 929 --------------
 930 uTys_s :: InBox -> [TcType]     -- ty1 is the *actual* types
 931        -> InBox -> [TcType]     -- ty2 is the *expected* types
 932        -> TcM ()
 933 uTys_s nb1 []           nb2 []         = returnM ()
 934 uTys_s nb1 (ty1:tys1) nb2 (ty2:tys2) = do { uTys nb1 ty1 nb2 ty2
 935                                           ; uTys_s nb1 tys1 nb2 tys2 }
 936 uTys_s nb1 ty1s nb2 ty2s = panic "Unify.uTys_s: mismatched type lists!"
 937
 938 --------------
 939 u_tys :: Outer
 940       -> InBox -> TcType -> TcType      -- ty1 is the *actual* type
 941       -> InBox -> TcType -> TcType      -- ty2 is the *expected* type
 942       -> TcM ()
 943
 944 u_tys outer nb1 orig_ty1 ty1 nb2 orig_ty2 ty2
 945   = go outer ty1 ty2
 946   where
 947
 948         -- Always expand synonyms (see notes at end)
 949         -- (this also throws away FTVs)
 950     go outer ty1 ty2
 951       | Just ty1' <- tcView ty1 = go False ty1' ty2
 952       | Just ty2' <- tcView ty2 = go False ty1 ty2'
 953
 954         -- Variables; go for uVar
 955     go outer (TyVarTy tyvar1) ty2 = uVar outer False tyvar1 nb2 orig_ty2 ty2
 956     go outer ty1 (TyVarTy tyvar2) = uVar outer True  tyvar2 nb1 orig_ty1 ty1
 957                                 -- "True" means args swapped
 958         -- Predicates
 959     go outer (PredTy p1) (PredTy p2) = uPred outer nb1 p1 nb2 p2
 960
 961         -- Type constructors must match
 962     go _ (TyConApp con1 tys1) (TyConApp con2 tys2)
 963       | con1 == con2 = uTys_s nb1 tys1 nb2 tys2
 964         -- See Note [TyCon app]
 965
 966         -- Functions; just check the two parts
 967     go _ (FunTy fun1 arg1) (FunTy fun2 arg2)
 968       = do { uTys nb1 fun1 nb2 fun2
 969            ; uTys nb1 arg1 nb2 arg2 }
 970
 971         -- Applications need a bit of care!
 972         -- They can match FunTy and TyConApp, so use splitAppTy_maybe
 973         -- NB: we've already dealt with type variables and Notes,
 974         -- so if one type is an App the other one jolly well better be too
 975     go outer (AppTy s1 t1) ty2
 976       | Just (s2,t2) <- tcSplitAppTy_maybe ty2
 977       = do { uTys nb1 s1 nb2 s2; uTys nb1 t1 nb2 t2 }
 978
 979         -- Now the same, but the other way round
 980         -- Don't swap the types, because the error messages get worse
 981     go outer ty1 (AppTy s2 t2)
 982       | Just (s1,t1) <- tcSplitAppTy_maybe ty1
 983       = do { uTys nb1 s1 nb2 s2; uTys nb1 t1 nb2 t2 }
 984
 985     go _ ty1@(ForAllTy _ _) ty2@(ForAllTy _ _)
 986       | length tvs1 == length tvs2
 987       = do   { tvs <- tcInstSkolTyVars UnkSkol tvs1     -- Not a helpful SkolemInfo
 988              ; let tys      = mkTyVarTys tvs
 989                    in_scope = mkInScopeSet (mkVarSet tvs)
 990                    subst1   = mkTvSubst in_scope (zipTyEnv tvs1 tys)
 991                    subst2   = mkTvSubst in_scope (zipTyEnv tvs2 tys)
 992              ; uTys nb1 (substTy subst1 body1) nb2 (substTy subst2 body2)
 993
 994                 -- If both sides are inside a box, we are in a "box-meets-box"
 995                 -- situation, and we should not have a polytype at all.
 996                 -- If we get here we have two boxes, already filled with
 997                 -- the same polytype... but it should be a monotype.
 998                 -- This check comes last, because the error message is
 999                 -- extremely unhelpful.
1000              ; ifM (nb1 && nb2) (notMonoType ty1)
1001              }
1002       where
1003         (tvs1, body1) = tcSplitForAllTys ty1
1004         (tvs2, body2) = tcSplitForAllTys ty2
1005
1006         -- Anything else fails
1007     go outer _ _ = unifyMisMatch outer False orig_ty1 orig_ty2
1008
1009 ----------
1010 uPred outer nb1 (IParam n1 t1) nb2 (IParam n2 t2)
1011   | n1 == n2 = uTys nb1 t1 nb2 t2
1012 uPred outer nb1 (ClassP c1 tys1) nb2 (ClassP c2 tys2)
1013   | c1 == c2 = uTys_s nb1 tys1 nb2 tys2         -- Guaranteed equal lengths because the kinds check
1014 uPred outer _ p1 _ p2 = unifyMisMatch outer False (mkPredTy p1) (mkPredTy p2)
1015 \end{code}
1016
1017 Note [Tycon app]
1018 ~~~~~~~~~~~~~~~~
1019 When we find two TyConApps, the argument lists are guaranteed equal
1020 length.  Reason: intially the kinds of the two types to be unified is
1021 the same. The only way it can become not the same is when unifying two
1022 AppTys (f1 a1):=:(f2 a2).  In that case there can't be a TyConApp in
1023 the f1,f2 (because it'd absorb the app).  If we unify f1:=:f2 first,
1024 which we do, that ensures that f1,f2 have the same kind; and that
1025 means a1,a2 have the same kind.  And now the argument repeats.
1026
1027
1028 Notes on synonyms
1029 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
1030 If you are tempted to make a short cut on synonyms, as in this
1031 pseudocode...
1032
1033 \begin{verbatim}
1034 -- NO   uTys (SynTy con1 args1 ty1) (SynTy con2 args2 ty2)
1035 -- NO     = if (con1 == con2) then
1036 -- NO   -- Good news!  Same synonym constructors, so we can shortcut
1037 -- NO   -- by unifying their arguments and ignoring their expansions.
1038 -- NO   unifyTypepeLists args1 args2
1039 -- NO    else
1040 -- NO   -- Never mind.  Just expand them and try again
1041 -- NO   uTys ty1 ty2
1042 \end{verbatim}
1043
1044 then THINK AGAIN.  Here is the whole story, as detected and reported
1045 by Chris Okasaki \tr{<Chris_Okasaki@loch.mess.cs.cmu.edu>}:
1046 \begin{quotation}
1047 Here's a test program that should detect the problem:
1048
1049 \begin{verbatim}
1050         type Bogus a = Int
1051         x = (1 :: Bogus Char) :: Bogus Bool
1052 \end{verbatim}
1053
1054 The problem with [the attempted shortcut code] is that
1055 \begin{verbatim}
1056         con1 == con2
1057 \end{verbatim}
1058 is not a sufficient condition to be able to use the shortcut!
1059 You also need to know that the type synonym actually USES all
1060 its arguments.  For example, consider the following type synonym
1061 which does not use all its arguments.
1062 \begin{verbatim}
1063         type Bogus a = Int
1064 \end{verbatim}
1065
1066 If you ever tried unifying, say, \tr{Bogus Char} with \tr{Bogus Bool},
1067 the unifier would blithely try to unify \tr{Char} with \tr{Bool} and
1068 would fail, even though the expanded forms (both \tr{Int}) should
1069 match.
1070
1071 Similarly, unifying \tr{Bogus Char} with \tr{Bogus t} would
1072 unnecessarily bind \tr{t} to \tr{Char}.
1073
1074 ... You could explicitly test for the problem synonyms and mark them
1075 somehow as needing expansion, perhaps also issuing a warning to the
1076 user.
1077 \end{quotation}
1078
1079
1080 %************************************************************************
1081 %*                                                                      *
1082 \subsection[Unify-uVar]{@uVar@: unifying with a type variable}
1083 %*                                                                      *
1084 %************************************************************************
1085
1086 @uVar@ is called when at least one of the types being unified is a
1087 variable.  It does {\em not} assume that the variable is a fixed point
1088 of the substitution; rather, notice that @uVar@ (defined below) nips
1089 back into @uTys@ if it turns out that the variable is already bound.
1090
1091 \begin{code}
1092 uVar :: Outer
1093      -> Bool            -- False => tyvar is the "expected"
1094                         -- True  => ty    is the "expected" thing
1095      -> TcTyVar
1096      -> InBox           -- True <=> definitely no boxes in t2
1097      -> TcTauType -> TcTauType  -- printing and real versions
1098      -> TcM ()
1099
1100 uVar outer swapped tv1 nb2 ps_ty2 ty2
1101   = do  { let expansion | showSDoc (ppr ty2) == showSDoc (ppr ps_ty2) = empty
1102                         | otherwise = brackets (equals <+> ppr ty2)
1103         ; traceTc (text "uVar" <+> ppr swapped <+>
1104                         sep [ppr tv1 <+> dcolon <+> ppr (tyVarKind tv1 ),
1105                                 nest 2 (ptext SLIT(" <-> ")),
1106                              ppr ps_ty2 <+> dcolon <+> ppr (typeKind ty2) <+> expansion])
1107         ; details <- lookupTcTyVar tv1
1108         ; case details of
1109             IndirectTv ty1
1110                 | swapped   -> u_tys outer nb2  ps_ty2 ty2 True ty1    ty1      -- Swap back
1111                 | otherwise -> u_tys outer True ty1    ty1 nb2  ps_ty2 ty2      -- Same order
1112                         -- The 'True' here says that ty1 is now inside a box
1113             DoneTv details1 -> uUnfilledVar outer swapped tv1 details1 ps_ty2 ty2
1114         }
1115
1116 ----------------
1117 uUnfilledVar :: Outer
1118              -> Bool                            -- Args are swapped
1119              -> TcTyVar -> TcTyVarDetails       -- Tyvar 1
1120              -> TcTauType -> TcTauType          -- Type 2
1121              -> TcM ()
1122 -- Invariant: tyvar 1 is not unified with anything
1123
1124 uUnfilledVar outer swapped tv1 details1 ps_ty2 ty2
1125   | Just ty2' <- tcView ty2
1126   =     -- Expand synonyms; ignore FTVs
1127     uUnfilledVar False swapped tv1 details1 ps_ty2 ty2'
1128
1129 uUnfilledVar outer swapped tv1 details1 ps_ty2 (TyVarTy tv2)
1130   | tv1 == tv2  -- Same type variable => no-op (but watch out for the boxy case)
1131   = case details1 of
1132         MetaTv BoxTv ref1  -- A boxy type variable meets itself;
1133                            -- this is box-meets-box, so fill in with a tau-type
1134               -> do { tau_tv <- tcInstTyVar tv1
1135                     ; updateMeta tv1 ref1 (mkTyVarTy tau_tv) }
1136         other -> returnM ()     -- No-op
1137
1138         -- Distinct type variables
1139   | otherwise
1140   = do  { lookup2 <- lookupTcTyVar tv2
1141         ; case lookup2 of
1142             IndirectTv ty2' -> uUnfilledVar  outer swapped tv1 details1 ty2' ty2'
1143             DoneTv details2 -> uUnfilledVars outer swapped tv1 details1 tv2 details2
1144         }
1145
1146 uUnfilledVar outer swapped tv1 details1 ps_ty2 non_var_ty2      -- ty2 is not a type variable
1147   = case details1 of
1148         MetaTv (SigTv _) ref1 -> mis_match      -- Can't update a skolem with a non-type-variable
1149         MetaTv info ref1      -> uMetaVar swapped tv1 info ref1 ps_ty2 non_var_ty2
1150         skolem_details        -> mis_match
1151   where
1152     mis_match = unifyMisMatch outer swapped (TyVarTy tv1) ps_ty2
1153
1154 ----------------
1155 uMetaVar :: Bool
1156          -> TcTyVar -> BoxInfo -> IORef MetaDetails
1157          -> TcType -> TcType
1158          -> TcM ()
1159 -- tv1 is an un-filled-in meta type variable (maybe boxy, maybe tau)
1160 -- ty2 is not a type variable
1161
1162 uMetaVar swapped tv1 BoxTv ref1 ps_ty2 non_var_ty2
1163   =     -- tv1 is a BoxTv.  So we must unbox ty2, to ensure
1164         -- that any boxes in ty2 are filled with monotypes
1165         --
1166         -- It should not be the case that tv1 occurs in ty2
1167         -- (i.e. no occurs check should be needed), but if perchance
1168         -- it does, the unbox operation will fill it, and the DEBUG
1169         -- checks for that.
1170     do  { final_ty <- unBox ps_ty2
1171 #ifdef DEBUG
1172         ; meta_details <- readMutVar ref1
1173         ; case meta_details of
1174             Indirect ty -> WARN( True, ppr tv1 <+> ppr ty )
1175                            return ()    -- This really should *not* happen
1176             Flexi       -> return ()
1177 #endif
1178         ; checkUpdateMeta swapped tv1 ref1 final_ty }
1179
1180 uMetaVar swapped tv1 info1 ref1 ps_ty2 non_var_ty2
1181   = do  { final_ty <- checkTauTvUpdate tv1 ps_ty2       -- Occurs check + monotype check
1182         ; checkUpdateMeta swapped tv1 ref1 final_ty }
1183
1184 ----------------
1185 uUnfilledVars :: Outer
1186               -> Bool                   -- Args are swapped
1187               -> TcTyVar -> TcTyVarDetails      -- Tyvar 1
1188               -> TcTyVar -> TcTyVarDetails      -- Tyvar 2
1189               -> TcM ()
1190 -- Invarant: The type variables are distinct,
1191 --           Neither is filled in yet
1192 --           They might be boxy or not
1193
1194 uUnfilledVars outer swapped tv1 (SkolemTv _) tv2 (SkolemTv _)
1195   = unifyMisMatch outer swapped (mkTyVarTy tv1) (mkTyVarTy tv2)
1196
1197 uUnfilledVars outer swapped tv1 (MetaTv info1 ref1) tv2 (SkolemTv _)
1198   = checkUpdateMeta swapped tv1 ref1 (mkTyVarTy tv2)
1199 uUnfilledVars outer swapped tv1 (SkolemTv _) tv2 (MetaTv info2 ref2)
1200   = checkUpdateMeta (not swapped) tv2 ref2 (mkTyVarTy tv1)
1201
1202 -- ToDo: this function seems too long for what it acutally does!
1203 uUnfilledVars outer swapped tv1 (MetaTv info1 ref1) tv2 (MetaTv info2 ref2)
1204   = case (info1, info2) of
1205         (BoxTv,   BoxTv)   -> box_meets_box
1206
1207         -- If a box meets a TauTv, but the fomer has the smaller kind
1208         -- then we must create a fresh TauTv with the smaller kind
1209         (_,       BoxTv)   | k1_sub_k2 -> update_tv2
1210                            | otherwise -> box_meets_box
1211         (BoxTv,   _    )   | k2_sub_k1 -> update_tv1
1212                            | otherwise -> box_meets_box
1213
1214         -- Avoid SigTvs if poss
1215         (SigTv _, _      ) | k1_sub_k2 -> update_tv2
1216         (_,       SigTv _) | k2_sub_k1 -> update_tv1
1217
1218         (_,   _) | k1_sub_k2 -> if k2_sub_k1 && nicer_to_update_tv1
1219                                 then update_tv1         -- Same kinds
1220                                 else update_tv2
1221                  | k2_sub_k1 -> update_tv1
1222                  | otherwise -> kind_err
1223
1224         -- Update the variable with least kind info
1225         -- See notes on type inference in Kind.lhs
1226         -- The "nicer to" part only applies if the two kinds are the same,
1227         -- so we can choose which to do.
1228   where
1229         -- Kinds should be guaranteed ok at this point
1230     update_tv1 = updateMeta tv1 ref1 (mkTyVarTy tv2)
1231     update_tv2 = updateMeta tv2 ref2 (mkTyVarTy tv1)
1232
1233     box_meets_box | k1_sub_k2 = if k2_sub_k1 && nicer_to_update_tv1
1234                                 then fill_from tv2
1235                                 else fill_from tv1
1236                   | k2_sub_k1 = fill_from tv2
1237                   | otherwise = kind_err
1238
1239         -- Update *both* tyvars with a TauTv whose name and kind
1240         -- are gotten from tv (avoid losing nice names is poss)
1241     fill_from tv = do { tv' <- tcInstTyVar tv
1242                       ; let tau_ty = mkTyVarTy tv'
1243                       ; updateMeta tv1 ref1 tau_ty
1244                       ; updateMeta tv2 ref2 tau_ty }
1245
1246     kind_err = addErrCtxtM (unifyKindCtxt swapped tv1 (mkTyVarTy tv2))  $
1247                unifyKindMisMatch k1 k2
1248
1249     k1 = tyVarKind tv1
1250     k2 = tyVarKind tv2
1251     k1_sub_k2 = k1 `isSubKind` k2
1252     k2_sub_k1 = k2 `isSubKind` k1
1253
1254     nicer_to_update_tv1 = isSystemName (varName tv1)
1255         -- Try to update sys-y type variables in preference to ones
1256         -- gotten (say) by instantiating a polymorphic function with
1257         -- a user-written type sig
1258
1259 ----------------
1260 checkUpdateMeta :: Bool -> TcTyVar -> IORef MetaDetails -> TcType -> TcM ()
1261 -- Update tv1, which is flexi; occurs check is alrady done
1262 -- The 'check' version does a kind check too
1263 -- We do a sub-kind check here: we might unify (a b) with (c d)
1264 --      where b::*->* and d::*; this should fail
1265
1266 checkUpdateMeta swapped tv1 ref1 ty2
1267   = do  { checkKinds swapped tv1 ty2
1268         ; updateMeta tv1 ref1 ty2 }
1269
1270 updateMeta :: TcTyVar -> IORef MetaDetails -> TcType -> TcM ()
1271 updateMeta tv1 ref1 ty2
1272   = ASSERT( isMetaTyVar tv1 )
1273     ASSERT( isBoxyTyVar tv1 || isTauTy ty2 )
1274     do  { ASSERTM2( do { details <- readMetaTyVar tv1; return (isFlexi details) }, ppr tv1 )
1275         ; traceTc (text "updateMeta" <+> ppr tv1 <+> text ":=" <+> ppr ty2)
1276         ; writeMutVar ref1 (Indirect ty2) }
1277
1278 ----------------
1279 checkKinds swapped tv1 ty2
1280 -- We're about to unify a type variable tv1 with a non-tyvar-type ty2.
1281 -- ty2 has been zonked at this stage, which ensures that
1282 -- its kind has as much boxity information visible as possible.
1283   | tk2 `isSubKind` tk1 = returnM ()
1284
1285   | otherwise
1286         -- Either the kinds aren't compatible
1287         --      (can happen if we unify (a b) with (c d))
1288         -- or we are unifying a lifted type variable with an
1289         --      unlifted type: e.g.  (id 3#) is illegal
1290   = addErrCtxtM (unifyKindCtxt swapped tv1 ty2) $
1291     unifyKindMisMatch k1 k2
1292   where
1293     (k1,k2) | swapped   = (tk2,tk1)
1294             | otherwise = (tk1,tk2)
1295     tk1 = tyVarKind tv1
1296     tk2 = typeKind ty2
1297
1298 ----------------
1299 checkTauTvUpdate :: TcTyVar -> TcType -> TcM TcType
1300 --    (checkTauTvUpdate tv ty)
1301 -- We are about to update the TauTv tv with ty.
1302 -- Check (a) that tv doesn't occur in ty (occurs check)
1303 --       (b) that ty is a monotype
1304 -- Furthermore, in the interest of (b), if you find an
1305 -- empty box (BoxTv that is Flexi), fill it in with a TauTv
1306 --
1307 -- Returns the (non-boxy) type to update the type variable with, or fails
1308
1309 checkTauTvUpdate orig_tv orig_ty
1310   = go orig_ty
1311   where
1312     go (TyConApp tc tys)
1313         | isSynTyCon tc  = go_syn tc tys
1314         | otherwise      = do { tys' <- mappM go tys; return (TyConApp tc tys') }
1315     go (NoteTy _ ty2)    = go ty2       -- Discard free-tyvar annotations
1316     go (PredTy p)        = do { p' <- go_pred p; return (PredTy p') }
1317     go (FunTy arg res)   = do { arg' <- go arg; res' <- go res; return (FunTy arg' res') }
1318     go (AppTy fun arg)   = do { fun' <- go fun; arg' <- go arg; return (mkAppTy fun' arg') }
1319                 -- NB the mkAppTy; we might have instantiated a
1320                 -- type variable to a type constructor, so we need
1321                 -- to pull the TyConApp to the top.
1322     go (ForAllTy tv ty) = notMonoType orig_ty           -- (b)
1323
1324     go (TyVarTy tv)
1325         | orig_tv == tv = occurCheck tv orig_ty         -- (a)
1326         | isTcTyVar tv  = go_tyvar tv (tcTyVarDetails tv)
1327         | otherwise     = return (TyVarTy tv)
1328                  -- Ordinary (non Tc) tyvars
1329                  -- occur inside quantified types
1330
1331     go_pred (ClassP c tys) = do { tys' <- mapM go tys; return (ClassP c tys') }
1332     go_pred (IParam n ty)  = do { ty' <- go ty;        return (IParam n ty') }
1333     go_pred (EqPred t1 t2) = do { t1' <- go t1; t2' <- go t2; return (EqPred t1' t2') }
1334
1335     go_tyvar tv (SkolemTv _) = return (TyVarTy tv)
1336     go_tyvar tv (MetaTv box ref)
1337         = do { cts <- readMutVar ref
1338              ; case cts of
1339                   Indirect ty -> go ty
1340                   Flexi -> case box of
1341                                 BoxTv -> fillBoxWithTau tv ref
1342                                 other -> return (TyVarTy tv)
1343              }
1344
1345         -- go_syn is called for synonyms only
1346         -- See Note [Type synonyms and the occur check]
1347     go_syn tc tys
1348         | not (isTauTyCon tc)
1349         = notMonoType orig_ty   -- (b) again
1350         | otherwise
1351         = do { (msgs, mb_tys') <- tryTc (mapM go tys)
1352              ; case mb_tys' of
1353                 Just tys' -> return (TyConApp tc tys')
1354                                 -- Retain the synonym (the common case)
1355                 Nothing   -> go (expectJust "checkTauTvUpdate"
1356                                         (tcView (TyConApp tc tys)))
1357                                 -- Try again, expanding the synonym
1358              }
1359
1360 fillBoxWithTau :: BoxyTyVar -> IORef MetaDetails -> TcM TcType
1361 -- (fillBoxWithTau tv ref) fills ref with a freshly allocated
1362 --  tau-type meta-variable, whose print-name is the same as tv
1363 -- Choosing the same name is good: when we instantiate a function
1364 -- we allocate boxy tyvars with the same print-name as the quantified
1365 -- tyvar; and then we often fill the box with a tau-tyvar, and again
1366 -- we want to choose the same name.
1367 fillBoxWithTau tv ref
1368   = do  { tv' <- tcInstTyVar tv         -- Do not gratuitously forget
1369         ; let tau = mkTyVarTy tv'       -- name of the type variable
1370         ; writeMutVar ref (Indirect tau)
1371         ; return tau }
1372 \end{code}
1373
1374 Note [Type synonyms and the occur check]
1375 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1376 Basically we want to update     tv1 := ps_ty2
1377 because ps_ty2 has type-synonym info, which improves later error messages
1378
1379 But consider
1380         type A a = ()
1381
1382         f :: (A a -> a -> ()) -> ()
1383         f = \ _ -> ()
1384
1385         x :: ()
1386         x = f (\ x p -> p x)
1387
1388 In the application (p x), we try to match "t" with "A t".  If we go
1389 ahead and bind t to A t (= ps_ty2), we'll lead the type checker into
1390 an infinite loop later.
1391 But we should not reject the program, because A t = ().
1392 Rather, we should bind t to () (= non_var_ty2).
1393
1394 \begin{code}
1395 stripBoxyType :: BoxyType -> TcM TcType
1396 -- Strip all boxes from the input type, returning a non-boxy type.
1397 -- It's fine for there to be a polytype inside a box (c.f. unBox)
1398 -- All of the boxes should have been filled in by now;
1399 -- hence we return a TcType
1400 stripBoxyType ty = zonkType strip_tv ty
1401   where
1402     strip_tv tv = ASSERT( not (isBoxyTyVar tv) ) return (TyVarTy tv)
1403         -- strip_tv will be called for *Flexi* meta-tyvars
1404         -- There should not be any Boxy ones; hence the ASSERT
1405
1406 zapToMonotype :: BoxySigmaType -> TcM TcTauType
1407 -- Subtle... we must zap the boxy res_ty
1408 -- to kind * before using it to instantiate a LitInst
1409 -- Calling unBox instead doesn't do the job, because the box
1410 -- often has an openTypeKind, and we don't want to instantiate
1411 -- with that type.
1412 zapToMonotype res_ty
1413   = do  { res_tau <- newFlexiTyVarTy liftedTypeKind
1414         ; boxyUnify res_tau res_ty
1415         ; return res_tau }
1416
1417 unBox :: BoxyType -> TcM TcType
1418 -- unBox implements the judgement
1419 --      |- s' ~ box(s)
1420 -- with input s', and result s
1421 --
1422 -- It removes all boxes from the input type, returning a non-boxy type.
1423 -- A filled box in the type can only contain a monotype; unBox fails if not
1424 -- The type can have empty boxes, which unBox fills with a monotype
1425 --
1426 -- Compare this wth checkTauTvUpdate
1427 --
1428 -- For once, it's safe to treat synonyms as opaque!
1429
1430 unBox (NoteTy n ty)     = do { ty' <- unBox ty; return (NoteTy n ty') }
1431 unBox (TyConApp tc tys) = do { tys' <- mapM unBox tys; return (TyConApp tc tys') }
1432 unBox (AppTy f a)       = do { f' <- unBox f; a' <- unBox a; return (mkAppTy f' a') }
1433 unBox (FunTy f a)       = do { f' <- unBox f; a' <- unBox a; return (FunTy f' a') }
1434 unBox (PredTy p)        = do { p' <- unBoxPred p; return (PredTy p') }
1435 unBox (ForAllTy tv ty)  = ASSERT( isImmutableTyVar tv )
1436                           do { ty' <- unBox ty; return (ForAllTy tv ty') }
1437 unBox (TyVarTy tv)
1438   | isTcTyVar tv                                -- It's a boxy type variable
1439   , MetaTv BoxTv ref <- tcTyVarDetails tv       -- NB: non-TcTyVars are possible
1440   = do  { cts <- readMutVar ref                 --     under nested quantifiers
1441         ; case cts of
1442             Flexi       -> fillBoxWithTau tv ref
1443             Indirect ty -> do { non_boxy_ty <- unBox ty
1444                               ; if isTauTy non_boxy_ty
1445                                 then return non_boxy_ty
1446                                 else notMonoType non_boxy_ty }
1447         }
1448   | otherwise   -- Skolems, and meta-tau-variables
1449   = return (TyVarTy tv)
1450
1451 unBoxPred (ClassP cls tys) = do { tys' <- mapM unBox tys; return (ClassP cls tys') }
1452 unBoxPred (IParam ip ty)   = do { ty' <- unBox ty; return (IParam ip ty') }
1453 \end{code}
1454
1455
1456
1457 %************************************************************************
1458 %*                                                                      *
1459 \subsection[Unify-context]{Errors and contexts}
1460 %*                                                                      *
1461 %************************************************************************
1462
1463 Errors
1464 ~~~~~~
1465
1466 \begin{code}
1467 unifyCtxt act_ty exp_ty tidy_env
1468   = do  { act_ty' <- zonkTcType act_ty
1469         ; exp_ty' <- zonkTcType exp_ty
1470         ; let (env1, exp_ty'') = tidyOpenType tidy_env exp_ty'
1471               (env2, act_ty'') = tidyOpenType env1     act_ty'
1472         ; return (env2, mkExpectedActualMsg act_ty'' exp_ty'') }
1473
1474 ----------------
1475 mkExpectedActualMsg act_ty exp_ty
1476   = nest 2 (vcat [ text "Expected type" <> colon <+> ppr exp_ty,
1477                    text "Inferred type" <> colon <+> ppr act_ty ])
1478
1479 ----------------
1480 -- If an error happens we try to figure out whether the function
1481 -- function has been given too many or too few arguments, and say so.
1482 subCtxt mb_fun actual_res_ty expected_res_ty tidy_env
1483   = do  { exp_ty' <- zonkTcType expected_res_ty
1484         ; act_ty' <- zonkTcType actual_res_ty
1485         ; let
1486               (env1, exp_ty'') = tidyOpenType tidy_env exp_ty'
1487               (env2, act_ty'') = tidyOpenType env1     act_ty'
1488               (exp_args, _)    = tcSplitFunTys exp_ty''
1489               (act_args, _)    = tcSplitFunTys act_ty''
1490
1491               len_act_args     = length act_args
1492               len_exp_args     = length exp_args
1493
1494               message = case mb_fun of
1495                           Just fun | len_exp_args < len_act_args -> wrongArgsCtxt "too few"  fun
1496                                    | len_exp_args > len_act_args -> wrongArgsCtxt "too many" fun
1497                           other -> mkExpectedActualMsg act_ty'' exp_ty''
1498         ; return (env2, message) }
1499
1500   where
1501     wrongArgsCtxt too_many_or_few fun
1502       = ptext SLIT("Probable cause:") <+> quotes (ppr fun)
1503         <+> ptext SLIT("is applied to") <+> text too_many_or_few
1504         <+> ptext SLIT("arguments")
1505
1506 ------------------
1507 unifyKindCtxt swapped tv1 ty2 tidy_env  -- not swapped => tv1 expected, ty2 inferred
1508         -- tv1 and ty2 are zonked already
1509   = returnM msg
1510   where
1511     msg = (env2, ptext SLIT("When matching the kinds of") <+>
1512                  sep [quotes pp_expected <+> ptext SLIT("and"), quotes pp_actual])
1513
1514     (pp_expected, pp_actual) | swapped   = (pp2, pp1)
1515                              | otherwise = (pp1, pp2)
1516     (env1, tv1') = tidyOpenTyVar tidy_env tv1
1517     (env2, ty2') = tidyOpenType  env1 ty2
1518     pp1 = ppr tv1' <+> dcolon <+> ppr (tyVarKind tv1)
1519     pp2 = ppr ty2' <+> dcolon <+> ppr (typeKind ty2)
1520
1521 unifyMisMatch outer swapped ty1 ty2
1522   = do  { (env, msg) <- if swapped then misMatchMsg ty1 ty2
1523                                    else misMatchMsg ty2 ty1
1524
1525         -- This is the whole point of the 'outer' stuff
1526         ; if outer then popErrCtxt (failWithTcM (env, msg))
1527                    else failWithTcM (env, msg)
1528         }
1529
1530 misMatchMsg ty1 ty2
1531   = do  { env0 <- tcInitTidyEnv
1532         ; (env1, pp1, extra1) <- ppr_ty env0 ty1
1533         ; (env2, pp2, extra2) <- ppr_ty env1 ty2
1534         ; return (env2, sep [sep [ptext SLIT("Couldn't match expected type") <+> pp1,
1535                                   nest 7 (ptext SLIT("against inferred type") <+> pp2)],
1536                              nest 2 extra1, nest 2 extra2]) }
1537
1538 ppr_ty :: TidyEnv -> TcType -> TcM (TidyEnv, SDoc, SDoc)
1539 ppr_ty env ty
1540   = do { ty' <- zonkTcType ty
1541        ; let (env1,tidy_ty) = tidyOpenType env ty'
1542              simple_result  = (env1, quotes (ppr tidy_ty), empty)
1543        ; case tidy_ty of
1544            TyVarTy tv
1545                 | isSkolemTyVar tv || isSigTyVar tv
1546                 -> return (env2, pp_rigid tv', pprSkolTvBinding tv')
1547                 | otherwise -> return simple_result
1548                 where
1549                   (env2, tv') = tidySkolemTyVar env1 tv
1550            other -> return simple_result }
1551   where
1552     pp_rigid tv = quotes (ppr tv) <+> parens (ptext SLIT("a rigid variable"))
1553
1554
1555 notMonoType ty
1556   = do  { ty' <- zonkTcType ty
1557         ; env0 <- tcInitTidyEnv
1558         ; let (env1, tidy_ty) = tidyOpenType env0 ty'
1559               msg = ptext SLIT("Cannot match a monotype with") <+> quotes (ppr tidy_ty)
1560         ; failWithTcM (env1, msg) }
1561
1562 occurCheck tyvar ty
1563   = do  { env0 <- tcInitTidyEnv
1564         ; ty'  <- zonkTcType ty
1565         ; let (env1, tidy_tyvar) = tidyOpenTyVar env0 tyvar
1566               (env2, tidy_ty)    = tidyOpenType  env1 ty'
1567               extra = sep [ppr tidy_tyvar, char '=', ppr tidy_ty]
1568         ; failWithTcM (env2, hang msg 2 extra) }
1569   where
1570     msg = ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite type:")
1571 \end{code}
1572
1573
1574 %************************************************************************
1575 %*                                                                      *
1576                 Kind unification
1577 %*                                                                      *
1578 %************************************************************************
1579
1580 Unifying kinds is much, much simpler than unifying types.
1581
1582 \begin{code}
1583 unifyKind :: TcKind                 -- Expected
1584           -> TcKind                 -- Actual
1585           -> TcM ()
1586 unifyKind (TyConApp kc1 []) (TyConApp kc2 [])
1587   | isSubKindCon kc2 kc1 = returnM ()
1588
1589 unifyKind (FunTy a1 r1) (FunTy a2 r2)
1590   = do { unifyKind a2 a1; unifyKind r1 r2 }
1591                 -- Notice the flip in the argument,
1592                 -- so that the sub-kinding works right
1593 unifyKind (TyVarTy kv1) k2 = uKVar False kv1 k2
1594 unifyKind k1 (TyVarTy kv2) = uKVar True kv2 k1
1595 unifyKind k1 k2 = unifyKindMisMatch k1 k2
1596
1597 unifyKinds :: [TcKind] -> [TcKind] -> TcM ()
1598 unifyKinds []       []       = returnM ()
1599 unifyKinds (k1:ks1) (k2:ks2) = unifyKind k1 k2  `thenM_`
1600                                unifyKinds ks1 ks2
1601 unifyKinds _ _               = panic "unifyKinds: length mis-match"
1602
1603 ----------------
1604 uKVar :: Bool -> KindVar -> TcKind -> TcM ()
1605 uKVar swapped kv1 k2
1606   = do  { mb_k1 <- readKindVar kv1
1607         ; case mb_k1 of
1608             Flexi -> uUnboundKVar swapped kv1 k2
1609             Indirect k1 | swapped   -> unifyKind k2 k1
1610                         | otherwise -> unifyKind k1 k2 }
1611
1612 ----------------
1613 uUnboundKVar :: Bool -> KindVar -> TcKind -> TcM ()
1614 uUnboundKVar swapped kv1 k2@(TyVarTy kv2)
1615   | kv1 == kv2 = returnM ()
1616   | otherwise   -- Distinct kind variables
1617   = do  { mb_k2 <- readKindVar kv2
1618         ; case mb_k2 of
1619             Indirect k2 -> uUnboundKVar swapped kv1 k2
1620             Flexi       -> writeKindVar kv1 k2 }
1621
1622 uUnboundKVar swapped kv1 non_var_k2
1623   = do  { k2' <- zonkTcKind non_var_k2
1624         ; kindOccurCheck kv1 k2'
1625         ; k2'' <- kindSimpleKind swapped k2'
1626                 -- KindVars must be bound only to simple kinds
1627                 -- Polarities: (kindSimpleKind True ?) succeeds
1628                 -- returning *, corresponding to unifying
1629                 --      expected: ?
1630                 --      actual:   kind-ver
1631         ; writeKindVar kv1 k2'' }
1632
1633 ----------------
1634 kindOccurCheck kv1 k2   -- k2 is zonked
1635   = checkTc (not_in k2) (kindOccurCheckErr kv1 k2)
1636   where
1637     not_in (TyVarTy kv2)   = kv1 /= kv2
1638     not_in (FunTy a2 r2) = not_in a2 && not_in r2
1639     not_in other         = True
1640
1641 kindSimpleKind :: Bool -> Kind -> TcM SimpleKind
1642 -- (kindSimpleKind True k) returns a simple kind sk such that sk <: k
1643 -- If the flag is False, it requires k <: sk
1644 -- E.g.         kindSimpleKind False ?? = *
1645 -- What about (kv -> *) :=: ?? -> *
1646 kindSimpleKind orig_swapped orig_kind
1647   = go orig_swapped orig_kind
1648   where
1649     go sw (FunTy k1 k2) = do { k1' <- go (not sw) k1
1650                              ; k2' <- go sw k2
1651                              ; return (mkArrowKind k1' k2') }
1652     go True k
1653      | isOpenTypeKind k = return liftedTypeKind
1654      | isArgTypeKind k  = return liftedTypeKind
1655     go sw k
1656      | isLiftedTypeKind k   = return liftedTypeKind
1657      | isUnliftedTypeKind k = return unliftedTypeKind
1658     go sw k@(TyVarTy _)   = return k    -- KindVars are always simple
1659     go swapped kind = failWithTc (ptext SLIT("Unexpected kind unification failure:")
1660                                   <+> ppr orig_swapped <+> ppr orig_kind)
1661         -- I think this can't actually happen
1662
1663 -- T v = MkT v           v must be a type
1664 -- T v w = MkT (v -> w)  v must not be an umboxed tuple
1665
1666 ----------------
1667 kindOccurCheckErr tyvar ty
1668   = hang (ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite kind:"))
1669        2 (sep [ppr tyvar, char '=', ppr ty])
1670
1671 unifyKindMisMatch ty1 ty2
1672   = zonkTcKind ty1      `thenM` \ ty1' ->
1673     zonkTcKind ty2      `thenM` \ ty2' ->
1674     let
1675         msg = hang (ptext SLIT("Couldn't match kind"))
1676                    2 (sep [quotes (ppr ty1'),
1677                            ptext SLIT("against"),
1678                            quotes (ppr ty2')])
1679     in
1680     failWithTc msg
1681 \end{code}
1682
1683 \begin{code}
1684 unifyFunKind :: TcKind -> TcM (Maybe (TcKind, TcKind))
1685 -- Like unifyFunTy, but does not fail; instead just returns Nothing
1686
1687 unifyFunKind (TyVarTy kvar)
1688   = readKindVar kvar `thenM` \ maybe_kind ->
1689     case maybe_kind of
1690       Indirect fun_kind -> unifyFunKind fun_kind
1691       Flexi             ->
1692           do { arg_kind <- newKindVar
1693              ; res_kind <- newKindVar
1694              ; writeKindVar kvar (mkArrowKind arg_kind res_kind)
1695              ; returnM (Just (arg_kind,res_kind)) }
1696
1697 unifyFunKind (FunTy arg_kind res_kind) = returnM (Just (arg_kind,res_kind))
1698 unifyFunKind other                     = returnM Nothing
1699 \end{code}
1700
1701 %************************************************************************
1702 %*                                                                      *
1703         Checking kinds
1704 %*                                                                      *
1705 %************************************************************************
1706
1707 ---------------------------
1708 -- We would like to get a decent error message from
1709 --   (a) Under-applied type constructors
1710 --              f :: (Maybe, Maybe)
1711 --   (b) Over-applied type constructors
1712 --              f :: Int x -> Int x
1713 --
1714
1715 \begin{code}
1716 checkExpectedKind :: Outputable a => a -> TcKind -> TcKind -> TcM ()
1717 -- A fancy wrapper for 'unifyKind', which tries
1718 -- to give decent error messages.
1719 checkExpectedKind ty act_kind exp_kind
1720   | act_kind `isSubKind` exp_kind -- Short cut for a very common case
1721   = returnM ()
1722   | otherwise
1723   = tryTc (unifyKind exp_kind act_kind) `thenM` \ (_errs, mb_r) ->
1724     case mb_r of {
1725         Just r  -> returnM () ; -- Unification succeeded
1726         Nothing ->
1727
1728         -- So there's definitely an error
1729         -- Now to find out what sort
1730     zonkTcKind exp_kind         `thenM` \ exp_kind ->
1731     zonkTcKind act_kind         `thenM` \ act_kind ->
1732
1733     tcInitTidyEnv               `thenM` \ env0 ->
1734     let (exp_as, _) = splitKindFunTys exp_kind
1735         (act_as, _) = splitKindFunTys act_kind
1736         n_exp_as = length exp_as
1737         n_act_as = length act_as
1738
1739         (env1, tidy_exp_kind) = tidyKind env0 exp_kind
1740         (env2, tidy_act_kind) = tidyKind env1 act_kind
1741
1742         err | n_exp_as < n_act_as       -- E.g. [Maybe]
1743             = quotes (ppr ty) <+> ptext SLIT("is not applied to enough type arguments")
1744
1745                 -- Now n_exp_as >= n_act_as. In the next two cases,
1746                 -- n_exp_as == 0, and hence so is n_act_as
1747             | isLiftedTypeKind exp_kind && isUnliftedTypeKind act_kind
1748             = ptext SLIT("Expecting a lifted type, but") <+> quotes (ppr ty)
1749                 <+> ptext SLIT("is unlifted")
1750
1751             | isUnliftedTypeKind exp_kind && isLiftedTypeKind act_kind
1752             = ptext SLIT("Expecting an unlifted type, but") <+> quotes (ppr ty)
1753                 <+> ptext SLIT("is lifted")
1754
1755             | otherwise                 -- E.g. Monad [Int]
1756             = ptext SLIT("Kind mis-match")
1757
1758         more_info = sep [ ptext SLIT("Expected kind") <+>
1759                                 quotes (pprKind tidy_exp_kind) <> comma,
1760                           ptext SLIT("but") <+> quotes (ppr ty) <+>
1761                                 ptext SLIT("has kind") <+> quotes (pprKind tidy_act_kind)]
1762    in
1763    failWithTcM (env2, err $$ more_info)
1764    }
1765 \end{code}
1766
1767 %************************************************************************
1768 %*                                                                      *
1769 \subsection{Checking signature type variables}
1770 %*                                                                      *
1771 %************************************************************************
1772
1773 @checkSigTyVars@ checks that a set of universally quantified type varaibles
1774 are not mentioned in the environment.  In particular:
1775
1776         (a) Not mentioned in the type of a variable in the envt
1777                 eg the signature for f in this:
1778
1779                         g x = ... where
1780                                         f :: a->[a]
1781                                         f y = [x,y]
1782
1783                 Here, f is forced to be monorphic by the free occurence of x.
1784
1785         (d) Not (unified with another type variable that is) in scope.
1786                 eg f x :: (r->r) = (\y->y) :: forall a. a->r
1787             when checking the expression type signature, we find that
1788             even though there is nothing in scope whose type mentions r,
1789             nevertheless the type signature for the expression isn't right.
1790
1791             Another example is in a class or instance declaration:
1792                 class C a where
1793                    op :: forall b. a -> b
1794                    op x = x
1795             Here, b gets unified with a
1796
1797 Before doing this, the substitution is applied to the signature type variable.
1798
1799 \begin{code}
1800 checkSigTyVars :: [TcTyVar] -> TcM ()
1801 checkSigTyVars sig_tvs = check_sig_tyvars emptyVarSet sig_tvs
1802
1803 checkSigTyVarsWrt :: TcTyVarSet -> [TcTyVar] -> TcM ()
1804 -- The extra_tvs can include boxy type variables;
1805 --      e.g. TcMatches.tcCheckExistentialPat
1806 checkSigTyVarsWrt extra_tvs sig_tvs
1807   = do  { extra_tvs' <- zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems extra_tvs)
1808         ; check_sig_tyvars extra_tvs' sig_tvs }
1809
1810 check_sig_tyvars
1811         :: TcTyVarSet   -- Global type variables. The universally quantified
1812                         --      tyvars should not mention any of these
1813                         --      Guaranteed already zonked.
1814         -> [TcTyVar]    -- Universally-quantified type variables in the signature
1815                         --      Guaranteed to be skolems
1816         -> TcM ()
1817 check_sig_tyvars extra_tvs []
1818   = returnM ()
1819 check_sig_tyvars extra_tvs sig_tvs
1820   = ASSERT( all isSkolemTyVar sig_tvs )
1821     do  { gbl_tvs <- tcGetGlobalTyVars
1822         ; traceTc (text "check_sig_tyvars" <+> (vcat [text "sig_tys" <+> ppr sig_tvs,
1823                                       text "gbl_tvs" <+> ppr gbl_tvs,
1824                                       text "extra_tvs" <+> ppr extra_tvs]))
1825
1826         ; let env_tvs = gbl_tvs `unionVarSet` extra_tvs
1827         ; ifM (any (`elemVarSet` env_tvs) sig_tvs)
1828               (bleatEscapedTvs env_tvs sig_tvs sig_tvs)
1829         }
1830
1831 bleatEscapedTvs :: TcTyVarSet   -- The global tvs
1832                 -> [TcTyVar]    -- The possibly-escaping type variables
1833                 -> [TcTyVar]    -- The zonked versions thereof
1834                 -> TcM ()
1835 -- Complain about escaping type variables
1836 -- We pass a list of type variables, at least one of which
1837 -- escapes.  The first list contains the original signature type variable,
1838 -- while the second  contains the type variable it is unified to (usually itself)
1839 bleatEscapedTvs globals sig_tvs zonked_tvs
1840   = do  { env0 <- tcInitTidyEnv
1841         ; let (env1, tidy_tvs)        = tidyOpenTyVars env0 sig_tvs
1842               (env2, tidy_zonked_tvs) = tidyOpenTyVars env1 zonked_tvs
1843
1844         ; (env3, msgs) <- foldlM check (env2, []) (tidy_tvs `zip` tidy_zonked_tvs)
1845         ; failWithTcM (env3, main_msg $$ nest 2 (vcat msgs)) }
1846   where
1847     main_msg = ptext SLIT("Inferred type is less polymorphic than expected")
1848
1849     check (tidy_env, msgs) (sig_tv, zonked_tv)
1850       | not (zonked_tv `elemVarSet` globals) = return (tidy_env, msgs)
1851       | otherwise
1852       = do { (tidy_env1, globs) <- findGlobals (unitVarSet zonked_tv) tidy_env
1853            ; returnM (tidy_env1, escape_msg sig_tv zonked_tv globs : msgs) }
1854
1855 -----------------------
1856 escape_msg sig_tv zonked_tv globs
1857   | notNull globs
1858   = vcat [sep [msg, ptext SLIT("is mentioned in the environment:")],
1859           nest 2 (vcat globs)]
1860   | otherwise
1861   = msg <+> ptext SLIT("escapes")
1862         -- Sigh.  It's really hard to give a good error message
1863         -- all the time.   One bad case is an existential pattern match.
1864         -- We rely on the "When..." context to help.
1865   where
1866     msg = ptext SLIT("Quantified type variable") <+> quotes (ppr sig_tv) <+> is_bound_to
1867     is_bound_to
1868         | sig_tv == zonked_tv = empty
1869         | otherwise = ptext SLIT("is unified with") <+> quotes (ppr zonked_tv) <+> ptext SLIT("which")
1870 \end{code}
1871
1872 These two context are used with checkSigTyVars
1873
1874 \begin{code}
1875 sigCtxt :: Id -> [TcTyVar] -> TcThetaType -> TcTauType
1876         -> TidyEnv -> TcM (TidyEnv, Message)
1877 sigCtxt id sig_tvs sig_theta sig_tau tidy_env
1878   = zonkTcType sig_tau          `thenM` \ actual_tau ->
1879     let
1880         (env1, tidy_sig_tvs)    = tidyOpenTyVars tidy_env sig_tvs
1881         (env2, tidy_sig_rho)    = tidyOpenType env1 (mkPhiTy sig_theta sig_tau)
1882         (env3, tidy_actual_tau) = tidyOpenType env2 actual_tau
1883         sub_msg = vcat [ptext SLIT("Signature type:    ") <+> pprType (mkForAllTys tidy_sig_tvs tidy_sig_rho),
1884                         ptext SLIT("Type to generalise:") <+> pprType tidy_actual_tau
1885                    ]
1886         msg = vcat [ptext SLIT("When trying to generalise the type inferred for") <+> quotes (ppr id),
1887                     nest 2 sub_msg]
1888     in
1889     returnM (env3, msg)
1890 \end{code}