Many comments about oclose, plus a fix for Trac #1456
[ghc-hetmet.git] / compiler / types / FunDeps.lhs
1 %
2 % (c) The University of Glasgow 2006
3 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 2000
4 %
5
6 FunDeps - functional dependencies
7
8 It's better to read it as: "if we know these, then we're going to know these"
9
10 \begin{code}
11 module FunDeps (
12         Equation, pprEquation,
13         oclose, grow, improveOne,
14         checkInstCoverage, checkFunDeps,
15         pprFundeps
16     ) where
17
18 #include "HsVersions.h"
19
20 import Name
21 import Var
22 import Class
23 import TcGadt
24 import TcType
25 import InstEnv
26 import VarSet
27 import VarEnv
28 import Outputable
29 import Util
30 import Data.Maybe       ( isJust )
31 \end{code}
32
33
34 %************************************************************************
35 %*                                                                      *
36 \subsection{Close type variables}
37 %*                                                                      *
38 %************************************************************************
39
40   oclose(vs,C)  The result of extending the set of tyvars vs
41                 using the functional dependencies from C
42
43   grow(vs,C)    The result of extend the set of tyvars vs
44                 using all conceivable links from C.
45
46                 E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
47                 Then grow(vs,C) = {a,b,c}
48
49                 Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
50                 That is, simplfication can only shrink the result of grow.
51
52 Notice that
53    oclose is conservative       v `elem` oclose(vs,C)
54           one way:               => v is definitely fixed by vs
55
56    grow is conservative         if v might be fixed by vs 
57           the other way:        => v `elem` grow(vs,C)
58
59 ----------------------------------------------------------
60 (oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
61 wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
62 of the argument set.  For example, if we have
63         class C a b | a->b where ...
64 then
65         oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
66 because if we know x and y then that fixes z.
67
68 oclose is used (only) when generalising a type T; see extensive
69 notes in TcSimplify.
70
71 Note [Important subtlety in oclose]
72 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
73 Consider (oclose (C Int t) {}), where class C a b | a->b
74 Then, since a->b, 't' is fully determined by Int, and the
75 uniform thing is to return {t}.
76
77 However, consider
78         class D a b c | b->c
79         f x = e   -- Generates constraint (D s Int t)
80                   -- \x.e has type s->s
81 Then, if (oclose (D s Int t) {}) = {t}, we'll make the function
82 monomorphic in 't', thus
83         f :: forall s. D s Int t => s -> s
84
85 But if this function is never called, t will never be instantiated;
86 the functional dependencies that fix t may well be instance decls in
87 some importing module.  But the top-level defaulting of unconstrained
88 type variales will fix t=GHC.Prim.Any, and that's simply a bug.
89
90 Conclusion: oclose only returns a type variable as "fixed" if it 
91 depends on at least one type variable in the input fixed_tvs.
92
93 Remember, it's always sound for oclose to return a smaller set.
94
95 \begin{code}
96 oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
97 oclose preds fixed_tvs
98   | null tv_fds             = fixed_tvs    -- Fast escape hatch for common case
99   | isEmptyVarSet fixed_tvs = emptyVarSet  -- Note [Important subtlety in oclose]
100   | otherwise               = loop fixed_tvs
101   where
102     loop fixed_tvs
103         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
104         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
105         where
106           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
107
108     extend fixed_tvs (ls,rs) 
109         | not (isEmptyVarSet ls)        -- Note [Important subtlety in oclose]
110         , ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
111         | otherwise                = fixed_tvs
112
113     tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
114         -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
115         -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
116     tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
117               | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
118                 let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
119                 fd <- cls_fds,
120                 let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
121               ]
122 \end{code}
123
124 Note [Growing the tau-tvs using constraints]
125 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
126 (grow preds tvs) is the result of extend the set of tyvars tvs
127                  using all conceivable links from pred
128
129 E.g. tvs = {a}, preds = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
130 Then grow precs tvs = {a,b,c}
131
132 All the type variables from an implicit parameter are added, whether or
133 not they are mentioned in tvs; see Note [Implicit parameters and ambiguity] 
134 in TcSimplify.
135
136 See also Note [Ambiguity] in TcSimplify
137
138 \begin{code}
139 grow :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
140 grow preds fixed_tvs 
141   | null preds = real_fixed_tvs
142   | otherwise  = loop real_fixed_tvs
143   where
144         -- Add the implicit parameters; 
145         -- see Note [Implicit parameters and ambiguity] in TcSimplify
146     real_fixed_tvs = foldr unionVarSet fixed_tvs ip_tvs
147  
148     loop fixed_tvs
149         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
150         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
151         where
152           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs non_ip_tvs
153
154     extend fixed_tvs pred_tvs 
155         | fixed_tvs `intersectsVarSet` pred_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` pred_tvs
156         | otherwise                             = fixed_tvs
157
158     (ip_tvs, non_ip_tvs) = partitionWith get_ip preds
159     get_ip (IParam _ ty) = Left (tyVarsOfType ty)
160     get_ip other         = Right (tyVarsOfPred other)
161 \end{code}
162     
163 %************************************************************************
164 %*                                                                      *
165 \subsection{Generate equations from functional dependencies}
166 %*                                                                      *
167 %************************************************************************
168
169
170 \begin{code}
171 type Equation = (TyVarSet, [(Type, Type)])
172 -- These pairs of types should be equal, for some
173 -- substitution of the tyvars in the tyvar set
174 -- INVARIANT: corresponding types aren't already equal
175
176 -- It's important that we have a *list* of pairs of types.  Consider
177 --      class C a b c | a -> b c where ...
178 --      instance C Int x x where ...
179 -- Then, given the constraint (C Int Bool v) we should improve v to Bool,
180 -- via the equation ({x}, [(Bool,x), (v,x)])
181 -- This would not happen if the class had looked like
182 --      class C a b c | a -> b, a -> c
183
184 -- To "execute" the equation, make fresh type variable for each tyvar in the set,
185 -- instantiate the two types with these fresh variables, and then unify.
186 --
187 -- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
188 -- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
189 -- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
190 -- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
191
192 pprEquation (qtvs, pairs) 
193   = vcat [ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)),
194           nest 2 (vcat [ ppr t1 <+> ptext SLIT(":=:") <+> ppr t2 | (t1,t2) <- pairs])]
195 \end{code}
196
197 Given a bunch of predicates that must hold, such as
198
199         C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
200
201 improve figures out what extra equations must hold.
202 For example, if we have
203
204         class C a b | a->b where ...
205
206 then improve will return
207
208         [(t1,t2), (t4,t5)]
209
210 NOTA BENE:
211
212   * improve does not iterate.  It's possible that when we make
213     t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
214     This would happen if we also had
215         C t1 t7, C t2 t8
216     If t1=t2, we also get t7=t8.
217
218     improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
219     doing so.
220
221   * The equations unify types that are not already equal.  So there
222     is no effect iff the result of improve is empty
223
224
225
226 \begin{code}
227 type Pred_Loc = (PredType, SDoc)        -- SDoc says where the Pred comes from
228
229 improveOne :: (Class -> [Instance])             -- Gives instances for given class
230            -> Pred_Loc                          -- Do improvement triggered by this
231            -> [Pred_Loc]                        -- Current constraints 
232            -> [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]    -- Derived equalities that must also hold
233                                                 -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
234                                                 -- The Pred_Locs explain which two predicates were
235                                                 -- combined (for error messages)
236 -- Just do improvement triggered by a single, distinguised predicate
237
238 improveOne inst_env pred@(IParam ip ty, _) preds
239   = [ ((emptyVarSet, [(ty,ty2)]), pred, p2) 
240     | p2@(IParam ip2 ty2, _) <- preds
241     , ip==ip2
242     , not (ty `tcEqType` ty2)]
243
244 improveOne inst_env pred@(ClassP cls tys, _) preds
245   | tys `lengthAtLeast` 2
246   = instance_eqns ++ pairwise_eqns
247         -- NB: we put the instance equations first.   This biases the 
248         -- order so that we first improve individual constraints against the
249         -- instances (which are perhaps in a library and less likely to be
250         -- wrong; and THEN perform the pairwise checks.
251         -- The other way round, it's possible for the pairwise check to succeed
252         -- and cause a subsequent, misleading failure of one of the pair with an
253         -- instance declaration.  See tcfail143.hs for an example
254   where
255     (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
256     instances          = inst_env cls
257     rough_tcs          = roughMatchTcs tys
258
259         -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
260         -- empty, which aborts the rest of the loop.
261     pairwise_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
262     pairwise_eqns       -- This group comes from pairwise comparison
263       = [ (eqn, pred, p2)
264         | fd <- cls_fds
265         , p2@(ClassP cls2 tys2, _) <- preds
266         , cls == cls2
267         , eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys tys2
268         ]
269
270     instance_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
271     instance_eqns       -- This group comes from comparing with instance decls
272       = [ (eqn, p_inst, pred)
273         | fd <- cls_fds         -- Iterate through the fundeps first, 
274                                 -- because there often are none!
275         , let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs cls_tvs fd rough_tcs
276                 -- Trim the rough_tcs based on the head of the fundep.
277                 -- Remember that instanceCantMatch treats both argumnents
278                 -- symmetrically, so it's ok to trim the rough_tcs,
279                 -- rather than trimming each inst_tcs in turn
280         , ispec@(Instance { is_tvs = qtvs, is_tys = tys_inst, 
281                             is_tcs = inst_tcs }) <- instances
282         , not (instanceCantMatch inst_tcs trimmed_tcs)
283         , eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys_inst tys
284         , let p_inst = (mkClassPred cls tys_inst, 
285                         ptext SLIT("arising from the instance declaration at")
286                         <+> ppr (getSrcLoc ispec))
287         ]
288
289 improveOne inst_env eq_pred preds
290   = []
291
292
293 checkClsFD :: TyVarSet                  -- Quantified type variables; see note below
294            -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
295            -> [Type] -> [Type]
296            -> [Equation]
297
298 checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
299 -- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
300 -- to make the types match.  For example, given
301 --      class C a b | a->b where ...
302 --      instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
303 --
304 -- and an Inst of form (C (Maybe t1) t2), 
305 -- then we will call checkClsFD with
306 --
307 --      qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
308 --                  tys2 = [Maybe t1, t2]
309 --
310 -- We can instantiate x to t1, and then we want to force
311 --      (Tree x) [t1/x]  :=:   t2
312 --
313 -- This function is also used when matching two Insts (rather than an Inst
314 -- against an instance decl. In that case, qtvs is empty, and we are doing
315 -- an equality check
316 -- 
317 -- This function is also used by InstEnv.badFunDeps, which needs to *unify*
318 -- For the one-sided matching case, the qtvs are just from the template,
319 -- so we get matching
320 --
321   = ASSERT2( length tys1 == length tys2     && 
322              length tys1 == length clas_tvs 
323             , ppr tys1 <+> ppr tys2 )
324
325     case tcUnifyTys bind_fn ls1 ls2 of
326         Nothing  -> []
327         Just subst | isJust (tcUnifyTys bind_fn rs1' rs2') 
328                         -- Don't include any equations that already hold. 
329                         -- Reason: then we know if any actual improvement has happened,
330                         --         in which case we need to iterate the solver
331                         -- In making this check we must taking account of the fact that any 
332                         -- qtvs that aren't already instantiated can be instantiated to anything 
333                         -- at all
334                   -> []
335
336                   | otherwise   -- Aha!  A useful equation
337                   -> [ (qtvs', zip rs1' rs2')]
338                         -- We could avoid this substTy stuff by producing the eqn
339                         -- (qtvs, ls1++rs1, ls2++rs2)
340                         -- which will re-do the ls1/ls2 unification when the equation is
341                         -- executed.  What we're doing instead is recording the partial
342                         -- work of the ls1/ls2 unification leaving a smaller unification problem
343                   where
344                     rs1'  = substTys subst rs1 
345                     rs2'  = substTys subst rs2
346                     qtvs' = filterVarSet (`notElemTvSubst` subst) qtvs
347                         -- qtvs' are the quantified type variables
348                         -- that have not been substituted out
349                         --      
350                         -- Eg.  class C a b | a -> b
351                         --      instance C Int [y]
352                         -- Given constraint C Int z
353                         -- we generate the equation
354                         --      ({y}, [y], z)
355   where
356     bind_fn tv | tv `elemVarSet` qtvs = BindMe
357                | otherwise            = Skolem
358
359     (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
360     (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
361
362 instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
363 instFD (ls,rs) tvs tys
364   = (map lookup ls, map lookup rs)
365   where
366     env       = zipVarEnv tvs tys
367     lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
368 \end{code}
369
370 \begin{code}
371 checkInstCoverage :: Class -> [Type] -> Bool
372 -- Check that the Coverage Condition is obeyed in an instance decl
373 -- For example, if we have 
374 --      class theta => C a b | a -> b
375 --      instance C t1 t2 
376 -- Then we require fv(t2) `subset` fv(t1)
377 -- See Note [Coverage Condition] below
378
379 checkInstCoverage clas inst_taus
380   = all fundep_ok fds
381   where
382     (tyvars, fds) = classTvsFds clas
383     fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` tyVarsOfTypes ls
384                  where
385                    (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
386 \end{code}
387
388 Note [Coverage condition]
389 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
390 For the coverage condition, we used to require only that 
391         fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
392
393 Example:
394         class Mul a b c | a b -> c where
395                 (.*.) :: a -> b -> c
396
397         instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
398         instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
399         instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
400
401 In the third instance, it's not the case that fv([c]) `subset` fv(a,[b]).
402 But it is the case that fv([c]) `subset` oclose( theta, fv(a,[b]) )
403
404 But it is a mistake to accept the instance because then this defn:
405         f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
406 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
407         Mul a [b] b
408
409
410 %************************************************************************
411 %*                                                                      *
412         Check that a new instance decl is OK wrt fundeps
413 %*                                                                      *
414 %************************************************************************
415
416 Here is the bad case:
417         class C a b | a->b where ...
418         instance C Int Bool where ...
419         instance C Int Char where ...
420
421 The point is that a->b, so Int in the first parameter must uniquely
422 determine the second.  In general, given the same class decl, and given
423
424         instance C s1 s2 where ...
425         instance C t1 t2 where ...
426
427 Then the criterion is: if U=unify(s1,t1) then U(s2) = U(t2).
428
429 Matters are a little more complicated if there are free variables in
430 the s2/t2.  
431
432         class D a b c | a -> b
433         instance D a b => D [(a,a)] [b] Int
434         instance D a b => D [a]     [b] Bool
435
436 The instance decls don't overlap, because the third parameter keeps
437 them separate.  But we want to make sure that given any constraint
438         D s1 s2 s3
439 if s1 matches 
440
441
442 \begin{code}
443 checkFunDeps :: (InstEnv, InstEnv) -> Instance
444              -> Maybe [Instance]        -- Nothing  <=> ok
445                                         -- Just dfs <=> conflict with dfs
446 -- Check wheher adding DFunId would break functional-dependency constraints
447 -- Used only for instance decls defined in the module being compiled
448 checkFunDeps inst_envs ispec
449   | null bad_fundeps = Nothing
450   | otherwise        = Just bad_fundeps
451   where
452     (ins_tvs, _, clas, ins_tys) = instanceHead ispec
453     ins_tv_set   = mkVarSet ins_tvs
454     cls_inst_env = classInstances inst_envs clas
455     bad_fundeps  = badFunDeps cls_inst_env clas ins_tv_set ins_tys
456
457 badFunDeps :: [Instance] -> Class
458            -> TyVarSet -> [Type]        -- Proposed new instance type
459            -> [Instance]
460 badFunDeps cls_insts clas ins_tv_set ins_tys 
461   = [ ispec | fd <- fds,        -- fds is often empty
462               let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs clas_tvs fd rough_tcs,
463               ispec@(Instance { is_tcs = inst_tcs, is_tvs = tvs, 
464                                 is_tys = tys }) <- cls_insts,
465                 -- Filter out ones that can't possibly match, 
466                 -- based on the head of the fundep
467               not (instanceCantMatch inst_tcs trimmed_tcs),     
468               notNull (checkClsFD (tvs `unionVarSet` ins_tv_set) 
469                                    fd clas_tvs tys ins_tys)
470     ]
471   where
472     (clas_tvs, fds) = classTvsFds clas
473     rough_tcs = roughMatchTcs ins_tys
474
475 trimRoughMatchTcs :: [TyVar] -> FunDep TyVar -> [Maybe Name] -> [Maybe Name]
476 -- Computing rough_tcs for a particular fundep
477 --      class C a b c | a -> b where ... 
478 -- For each instance .... => C ta tb tc
479 -- we want to match only on the types ta, tc; so our
480 -- rough-match thing must similarly be filtered.  
481 -- Hence, we Nothing-ise the tb type right here
482 trimRoughMatchTcs clas_tvs (_,rtvs) mb_tcs
483   = zipWith select clas_tvs mb_tcs
484   where
485     select clas_tv mb_tc | clas_tv `elem` rtvs = Nothing
486                          | otherwise           = mb_tc
487 \end{code}
488
489
490