5ece0471884ec94b704736a60133a1328c7ce17f
[ghc-hetmet.git] / compiler / types / FunDeps.lhs
1
2 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 2000
3 %
4 \section[FunDeps]{FunDeps - functional dependencies}
5
6 It's better to read it as: "if we know these, then we're going to know these"
7
8 \begin{code}
9 module FunDeps (
10         Equation, pprEquation,
11         oclose, grow, improve, 
12         checkInstCoverage, checkFunDeps,
13         pprFundeps
14     ) where
15
16 #include "HsVersions.h"
17
18 import Name             ( Name, getSrcLoc )
19 import Var              ( TyVar )
20 import Class            ( Class, FunDep, pprFundeps, classTvsFds )
21 import TcGadt           ( tcUnifyTys, BindFlag(..) )
22 import Type             ( substTys, notElemTvSubst )
23 import Coercion         ( isEqPred )
24 import TcType           ( Type, PredType(..), tcEqType, 
25                           predTyUnique, mkClassPred, tyVarsOfTypes, tyVarsOfPred )
26 import InstEnv          ( Instance(..), InstEnv, instanceHead, classInstances,
27                           instanceCantMatch, roughMatchTcs )
28 import VarSet
29 import VarEnv
30 import Outputable
31 import Util             ( notNull )
32 import List             ( tails )
33 import Maybe            ( isJust )
34 import ListSetOps       ( equivClassesByUniq )
35 \end{code}
36
37
38 %************************************************************************
39 %*                                                                      *
40 \subsection{Close type variables}
41 %*                                                                      *
42 %************************************************************************
43
44 (oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
45 wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
46 of the argument set.  For example, if we have
47         class C a b | a->b where ...
48 then
49         oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
50 because if we know x and y then that fixes z.
51
52 Using oclose
53 ~~~~~~~~~~~~
54 oclose is used
55
56 a) When determining ambiguity.  The type
57         forall a,b. C a b => a
58 is not ambiguous (given the above class decl for C) because
59 a determines b.  
60
61 b) When generalising a type T.  Usually we take FV(T) \ FV(Env),
62 but in fact we need
63         FV(T) \ (FV(Env)+)
64 where the '+' is the oclosure operation.  Notice that we do not 
65 take FV(T)+.  This puzzled me for a bit.  Consider
66
67         f = E
68
69 and suppose e have that E :: C a b => a, and suppose that b is
70 free in the environment. Then we quantify over 'a' only, giving
71 the type forall a. C a b => a.  Since a->b but we don't have b->a,
72 we might have instance decls like
73         instance C Bool Int where ...
74         instance C Char Int where ...
75 so knowing that b=Int doesn't fix 'a'; so we quantify over it.
76
77                 ---------------
78                 A WORRY: ToDo!
79                 ---------------
80 If we have      class C a b => D a b where ....
81                 class D a b | a -> b where ...
82 and the preds are [C (x,y) z], then we want to see the fd in D,
83 even though it is not explicit in C, giving [({x,y},{z})]
84
85 Similarly for instance decls?  E.g. Suppose we have
86         instance C a b => Eq (T a b) where ...
87 and we infer a type t with constraints Eq (T a b) for a particular
88 expression, and suppose that 'a' is free in the environment.  
89 We could generalise to
90         forall b. Eq (T a b) => t
91 but if we reduced the constraint, to C a b, we'd see that 'a' determines
92 b, so that a better type might be
93         t (with free constraint C a b) 
94 Perhaps it doesn't matter, because we'll still force b to be a
95 particular type at the call sites.  Generalising over too many
96 variables (provided we don't shadow anything by quantifying over a
97 variable that is actually free in the envt) may postpone errors; it
98 won't hide them altogether.
99
100
101 \begin{code}
102 oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
103 oclose preds fixed_tvs
104   | null tv_fds = fixed_tvs     -- Fast escape hatch for common case
105   | otherwise   = loop fixed_tvs
106   where
107     loop fixed_tvs
108         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
109         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
110         where
111           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
112
113     extend fixed_tvs (ls,rs) | ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
114                              | otherwise                = fixed_tvs
115
116     tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
117         -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
118         -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
119     tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
120               | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
121                 let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
122                 fd <- cls_fds,
123                 let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
124               ]
125 \end{code}
126
127 \begin{code}
128 grow :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
129 -- See Note [Ambiguity] in TcSimplify
130 grow preds fixed_tvs 
131   | null preds = fixed_tvs
132   | otherwise  = loop fixed_tvs
133   where
134     loop fixed_tvs
135         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
136         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
137         where
138           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs pred_sets
139
140     extend fixed_tvs pred_tvs 
141         | fixed_tvs `intersectsVarSet` pred_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` pred_tvs
142         | otherwise                             = fixed_tvs
143
144     pred_sets = [tyVarsOfPred pred | pred <- preds]
145 \end{code}
146     
147 %************************************************************************
148 %*                                                                      *
149 \subsection{Generate equations from functional dependencies}
150 %*                                                                      *
151 %************************************************************************
152
153
154 \begin{code}
155 ----------
156 type Equation = (TyVarSet, [(Type, Type)])
157 -- These pairs of types should be equal, for some
158 -- substitution of the tyvars in the tyvar set
159 -- INVARIANT: corresponding types aren't already equal
160
161 -- It's important that we have a *list* of pairs of types.  Consider
162 --      class C a b c | a -> b c where ...
163 --      instance C Int x x where ...
164 -- Then, given the constraint (C Int Bool v) we should improve v to Bool,
165 -- via the equation ({x}, [(Bool,x), (v,x)])
166 -- This would not happen if the class had looked like
167 --      class C a b c | a -> b, a -> c
168
169 -- To "execute" the equation, make fresh type variable for each tyvar in the set,
170 -- instantiate the two types with these fresh variables, and then unify.
171 --
172 -- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
173 -- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
174 -- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
175 -- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
176
177 pprEquation (qtvs, pairs) 
178   = vcat [ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)),
179           nest 2 (vcat [ ppr t1 <+> ptext SLIT(":=:") <+> ppr t2 | (t1,t2) <- pairs])]
180
181 ----------
182 type Pred_Loc = (PredType, SDoc)        -- SDoc says where the Pred comes from
183
184 improve :: (Class -> [Instance])                -- Gives instances for given class
185         -> [Pred_Loc]                           -- Current constraints; 
186         -> [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]       -- Derived equalities that must also hold
187                                                 -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
188                                                 -- The Pred_Locs explain which two predicates were
189                                                 -- combined (for error messages)
190 \end{code}
191
192 Given a bunch of predicates that must hold, such as
193
194         C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
195
196 improve figures out what extra equations must hold.
197 For example, if we have
198
199         class C a b | a->b where ...
200
201 then improve will return
202
203         [(t1,t2), (t4,t5)]
204
205 NOTA BENE:
206
207   * improve does not iterate.  It's possible that when we make
208     t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
209     This would happen if we also had
210         C t1 t7, C t2 t8
211     If t1=t2, we also get t7=t8.
212
213     improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
214     doing so.
215
216   * The equations unify types that are not already equal.  So there
217     is no effect iff the result of improve is empty
218
219
220
221 \begin{code}
222 improve inst_env preds
223   = [ eqn | group <- equivClassesByUniq (predTyUnique . fst) (filterEqPreds preds),
224             eqn   <- checkGroup inst_env group ]
225   where 
226     filterEqPreds = filter (not . isEqPred . fst)
227         -- Equality predicates don't have uniques
228         -- In any case, improvement *generates*, rather than
229         -- *consumes*, equality constraints
230
231 ----------
232 checkGroup :: (Class -> [Instance])
233            -> [Pred_Loc]
234            -> [(Equation, Pred_Loc, Pred_Loc)]
235   -- The preds are all for the same class or implicit param
236
237 checkGroup inst_env (p1@(IParam _ ty, _) : ips)
238   =     -- For implicit parameters, all the types must match
239     [ ((emptyVarSet, [(ty,ty')]), p1, p2) 
240     | p2@(IParam _ ty', _) <- ips, not (ty `tcEqType` ty')]
241
242 checkGroup inst_env clss@((ClassP cls _, _) : _)
243   =     -- For classes life is more complicated  
244         -- Suppose the class is like
245         --      classs C as | (l1 -> r1), (l2 -> r2), ... where ...
246         -- Then FOR EACH PAIR (ClassP c tys1, ClassP c tys2) in the list clss
247         -- we check whether
248         --      U l1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
249         --  (where U is a unifier)
250         -- 
251         -- If so, we return the pair
252         --      U r1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
253         --
254         -- We need to do something very similar comparing each predicate
255         -- with relevant instance decls
256
257     instance_eqns ++ pairwise_eqns
258         -- NB: we put the instance equations first.   This biases the 
259         -- order so that we first improve individual constraints against the
260         -- instances (which are perhaps in a library and less likely to be
261         -- wrong; and THEN perform the pairwise checks.
262         -- The other way round, it's possible for the pairwise check to succeed
263         -- and cause a subsequent, misleading failure of one of the pair with an
264         -- instance declaration.  See tcfail143.hs for an exmample
265
266   where
267     (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
268     instances          = inst_env cls
269
270         -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
271         -- empty, which aborts the rest of the loop.
272     pairwise_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
273     pairwise_eqns       -- This group comes from pairwise comparison
274       = [ (eqn, p1, p2)
275         | fd <- cls_fds,
276           p1@(ClassP _ tys1, _) : rest <- tails clss,
277           p2@(ClassP _ tys2, _) <- rest,
278           eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys1 tys2
279         ]
280
281     instance_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
282     instance_eqns       -- This group comes from comparing with instance decls
283       = [ (eqn, p1, p2)
284         | fd <- cls_fds,        -- Iterate through the fundeps first, 
285                                 -- because there often are none!
286           p2@(ClassP _ tys2, _) <- clss,
287           let rough_tcs2 = trimRoughMatchTcs cls_tvs fd (roughMatchTcs tys2),
288           ispec@(Instance { is_tvs = qtvs, is_tys = tys1, 
289                             is_tcs = mb_tcs1 }) <- instances,
290           not (instanceCantMatch mb_tcs1 rough_tcs2),
291           eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys1 tys2,
292           let p1 = (mkClassPred cls tys1, 
293                     ptext SLIT("arising from the instance declaration at") <+> 
294                         ppr (getSrcLoc ispec))
295         ]
296 ----------
297 checkClsFD :: TyVarSet                  -- Quantified type variables; see note below
298            -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
299            -> [Type] -> [Type]
300            -> [Equation]
301
302 checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
303 -- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
304 -- to make the types match.  For example, given
305 --      class C a b | a->b where ...
306 --      instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
307 --
308 -- and an Inst of form (C (Maybe t1) t2), 
309 -- then we will call checkClsFD with
310 --
311 --      qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
312 --                  tys2 = [Maybe t1, t2]
313 --
314 -- We can instantiate x to t1, and then we want to force
315 --      (Tree x) [t1/x]  :=:   t2
316 --
317 -- This function is also used when matching two Insts (rather than an Inst
318 -- against an instance decl. In that case, qtvs is empty, and we are doing
319 -- an equality check
320 -- 
321 -- This function is also used by InstEnv.badFunDeps, which needs to *unify*
322 -- For the one-sided matching case, the qtvs are just from the template,
323 -- so we get matching
324 --
325   = ASSERT2( length tys1 == length tys2     && 
326              length tys1 == length clas_tvs 
327             , ppr tys1 <+> ppr tys2 )
328
329     case tcUnifyTys bind_fn ls1 ls2 of
330         Nothing  -> []
331         Just subst | isJust (tcUnifyTys bind_fn rs1' rs2') 
332                         -- Don't include any equations that already hold. 
333                         -- Reason: then we know if any actual improvement has happened,
334                         --         in which case we need to iterate the solver
335                         -- In making this check we must taking account of the fact that any 
336                         -- qtvs that aren't already instantiated can be instantiated to anything 
337                         -- at all
338                   -> []
339
340                   | otherwise   -- Aha!  A useful equation
341                   -> [ (qtvs', zip rs1' rs2')]
342                         -- We could avoid this substTy stuff by producing the eqn
343                         -- (qtvs, ls1++rs1, ls2++rs2)
344                         -- which will re-do the ls1/ls2 unification when the equation is
345                         -- executed.  What we're doing instead is recording the partial
346                         -- work of the ls1/ls2 unification leaving a smaller unification problem
347                   where
348                     rs1'  = substTys subst rs1 
349                     rs2'  = substTys subst rs2
350                     qtvs' = filterVarSet (`notElemTvSubst` subst) qtvs
351                         -- qtvs' are the quantified type variables
352                         -- that have not been substituted out
353                         --      
354                         -- Eg.  class C a b | a -> b
355                         --      instance C Int [y]
356                         -- Given constraint C Int z
357                         -- we generate the equation
358                         --      ({y}, [y], z)
359   where
360     bind_fn tv | tv `elemVarSet` qtvs = BindMe
361                | otherwise            = Skolem
362
363     (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
364     (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
365
366 instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
367 instFD (ls,rs) tvs tys
368   = (map lookup ls, map lookup rs)
369   where
370     env       = zipVarEnv tvs tys
371     lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
372 \end{code}
373
374 \begin{code}
375 checkInstCoverage :: Class -> [Type] -> Bool
376 -- Check that the Coverage Condition is obeyed in an instance decl
377 -- For example, if we have 
378 --      class theta => C a b | a -> b
379 --      instance C t1 t2 
380 -- Then we require fv(t2) `subset` fv(t1)
381 -- See Note [Coverage Condition] below
382
383 checkInstCoverage clas inst_taus
384   = all fundep_ok fds
385   where
386     (tyvars, fds) = classTvsFds clas
387     fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` tyVarsOfTypes ls
388                  where
389                    (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
390 \end{code}
391
392 Note [Coverage condition]
393 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
394 For the coverage condition, we used to require only that 
395         fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
396
397 Example:
398         class Mul a b c | a b -> c where
399                 (.*.) :: a -> b -> c
400
401         instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
402         instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
403         instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
404
405 In the third instance, it's not the case that fv([c]) `subset` fv(a,[b]).
406 But it is the case that fv([c]) `subset` oclose( theta, fv(a,[b]) )
407
408 But it is a mistake to accept the instance because then this defn:
409         f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
410 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
411         Mul a [b] b
412
413
414 %************************************************************************
415 %*                                                                      *
416         Check that a new instance decl is OK wrt fundeps
417 %*                                                                      *
418 %************************************************************************
419
420 Here is the bad case:
421         class C a b | a->b where ...
422         instance C Int Bool where ...
423         instance C Int Char where ...
424
425 The point is that a->b, so Int in the first parameter must uniquely
426 determine the second.  In general, given the same class decl, and given
427
428         instance C s1 s2 where ...
429         instance C t1 t2 where ...
430
431 Then the criterion is: if U=unify(s1,t1) then U(s2) = U(t2).
432
433 Matters are a little more complicated if there are free variables in
434 the s2/t2.  
435
436         class D a b c | a -> b
437         instance D a b => D [(a,a)] [b] Int
438         instance D a b => D [a]     [b] Bool
439
440 The instance decls don't overlap, because the third parameter keeps
441 them separate.  But we want to make sure that given any constraint
442         D s1 s2 s3
443 if s1 matches 
444
445
446 \begin{code}
447 checkFunDeps :: (InstEnv, InstEnv) -> Instance
448              -> Maybe [Instance]        -- Nothing  <=> ok
449                                         -- Just dfs <=> conflict with dfs
450 -- Check wheher adding DFunId would break functional-dependency constraints
451 -- Used only for instance decls defined in the module being compiled
452 checkFunDeps inst_envs ispec
453   | null bad_fundeps = Nothing
454   | otherwise        = Just bad_fundeps
455   where
456     (ins_tvs, _, clas, ins_tys) = instanceHead ispec
457     ins_tv_set   = mkVarSet ins_tvs
458     cls_inst_env = classInstances inst_envs clas
459     bad_fundeps  = badFunDeps cls_inst_env clas ins_tv_set ins_tys
460
461 badFunDeps :: [Instance] -> Class
462            -> TyVarSet -> [Type]        -- Proposed new instance type
463            -> [Instance]
464 badFunDeps cls_insts clas ins_tv_set ins_tys 
465   = [ ispec | fd <- fds,        -- fds is often empty
466               let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs clas_tvs fd rough_tcs,
467               ispec@(Instance { is_tcs = mb_tcs, is_tvs = tvs, 
468                                 is_tys = tys }) <- cls_insts,
469                 -- Filter out ones that can't possibly match, 
470                 -- based on the head of the fundep
471               not (instanceCantMatch trimmed_tcs mb_tcs),       
472               notNull (checkClsFD (tvs `unionVarSet` ins_tv_set) 
473                                    fd clas_tvs tys ins_tys)
474     ]
475   where
476     (clas_tvs, fds) = classTvsFds clas
477     rough_tcs = roughMatchTcs ins_tys
478
479 trimRoughMatchTcs :: [TyVar] -> FunDep TyVar -> [Maybe Name] -> [Maybe Name]
480 -- Computing rough_tcs for a particular fundep
481 --      class C a b c | a c -> b where ... 
482 -- For each instance .... => C ta tb tc
483 -- we want to match only on the types ta, tb; so our
484 -- rough-match thing must similarly be filtered.  
485 -- Hence, we Nothing-ise the tb type right here
486 trimRoughMatchTcs clas_tvs (ltvs,_) mb_tcs
487   = zipWith select clas_tvs mb_tcs
488   where
489     select clas_tv mb_tc | clas_tv `elem` ltvs = mb_tc
490                          | otherwise           = Nothing
491 \end{code}
492
493
494