Fix Trac #3017: ensure that we quantify over enough type variables when equalities...
[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, 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 TcType
24 import Unify
25 import InstEnv
26 import VarSet
27 import VarEnv
28 import Outputable
29 import Util
30 import FastString
31
32 import Data.List        ( nubBy )
33 import Data.Maybe       ( isJust )
34 \end{code}
35
36
37 %************************************************************************
38 %*                                                                      *
39 \subsection{Close type variables}
40 %*                                                                      *
41 %************************************************************************
42
43   oclose(vs,C)  The result of extending the set of tyvars vs
44                 using the functional dependencies from C
45
46   grow(vs,C)    The result of extend the set of tyvars vs
47                 using all conceivable links from C.
48
49                 E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
50                 Then grow(vs,C) = {a,b,c}
51
52                 Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
53                 That is, simplfication can only shrink the result of grow.
54
55 Notice that
56    oclose is conservative       v `elem` oclose(vs,C)
57           one way:               => v is definitely fixed by vs
58
59    grow is conservative         if v might be fixed by vs 
60           the other way:        => v `elem` grow(vs,C)
61
62 ----------------------------------------------------------
63 (oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
64 wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
65 of the argument set.  For example, if we have
66         class C a b | a->b where ...
67 then
68         oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
69 because if we know x and y then that fixes z.
70
71 oclose is used (only) when generalising a type T; see extensive
72 notes in TcSimplify.
73
74 Note [Important subtlety in oclose]
75 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
76 Consider (oclose (C Int t) {}), where class C a b | a->b
77 Then, since a->b, 't' is fully determined by Int, and the
78 uniform thing is to return {t}.
79
80 However, consider
81         class D a b c | b->c
82         f x = e   -- 'e' generates constraint (D s Int t)
83                   -- \x.e has type s->s
84 Then, if (oclose (D s Int t) {}) = {t}, we'll make the function
85 monomorphic in 't', thus
86         f :: forall s. D s Int t => s -> s
87
88 But if this function is never called, 't' will never be instantiated;
89 the functional dependencies that fix 't' may well be instance decls in
90 some importing module.  But the top-level defaulting of unconstrained
91 type variables will fix t=GHC.Prim.Any, and that's simply a bug.
92
93 Conclusion: oclose only returns a type variable as "fixed" if it 
94 depends on at least one type variable in the input fixed_tvs.
95
96 Remember, it's always sound for oclose to return a smaller set.
97 An interesting example is tcfail093, where we get this inferred type:
98     class C a b | a->b
99     dup :: forall h. (Call (IO Int) h) => () -> Int -> h
100 This is perhaps a bit silly, because 'h' is fixed by the (IO Int);
101 previously GHC rejected this saying 'no instance for Call (IO Int) h'.
102 But it's right on the borderline. If there was an extra, otherwise
103 uninvolved type variable, like 's' in the type of 'f' above, then
104 we must accept the function.  So, for now anyway, we accept 'dup' too.
105
106 \begin{code}
107 oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
108 oclose preds fixed_tvs
109   | null tv_fds             = fixed_tvs    -- Fast escape hatch for common case
110   | isEmptyVarSet fixed_tvs = emptyVarSet  -- Note [Important subtlety in oclose]
111   | otherwise               = loop fixed_tvs
112   where
113     loop fixed_tvs
114         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
115         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
116         where
117           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
118
119     extend fixed_tvs (ls,rs) 
120         | not (isEmptyVarSet ls)        -- Note [Important subtlety in oclose]
121         , ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
122         | otherwise                = fixed_tvs
123
124     tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
125         -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
126         -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
127     tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
128               | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
129                 let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
130                 fd <- cls_fds,
131                 let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
132               ]
133 \end{code}
134
135     
136 %************************************************************************
137 %*                                                                      *
138 \subsection{Generate equations from functional dependencies}
139 %*                                                                      *
140 %************************************************************************
141
142
143 \begin{code}
144 type Equation = (TyVarSet, [(Type, Type)])
145 -- These pairs of types should be equal, for some
146 -- substitution of the tyvars in the tyvar set
147 -- INVARIANT: corresponding types aren't already equal
148
149 -- It's important that we have a *list* of pairs of types.  Consider
150 --      class C a b c | a -> b c where ...
151 --      instance C Int x x where ...
152 -- Then, given the constraint (C Int Bool v) we should improve v to Bool,
153 -- via the equation ({x}, [(Bool,x), (v,x)])
154 -- This would not happen if the class had looked like
155 --      class C a b c | a -> b, a -> c
156
157 -- To "execute" the equation, make fresh type variable for each tyvar in the set,
158 -- instantiate the two types with these fresh variables, and then unify.
159 --
160 -- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
161 -- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
162 -- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
163 -- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
164
165 pprEquation :: Equation -> SDoc
166 pprEquation (qtvs, pairs) 
167   = vcat [ptext (sLit "forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)),
168           nest 2 (vcat [ ppr t1 <+> ptext (sLit "~") <+> ppr t2 | (t1,t2) <- pairs])]
169 \end{code}
170
171 Given a bunch of predicates that must hold, such as
172
173         C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
174
175 improve figures out what extra equations must hold.
176 For example, if we have
177
178         class C a b | a->b where ...
179
180 then improve will return
181
182         [(t1,t2), (t4,t5)]
183
184 NOTA BENE:
185
186   * improve does not iterate.  It's possible that when we make
187     t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
188     This would happen if we also had
189         C t1 t7, C t2 t8
190     If t1=t2, we also get t7=t8.
191
192     improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
193     doing so.
194
195   * The equations unify types that are not already equal.  So there
196     is no effect iff the result of improve is empty
197
198
199
200 \begin{code}
201 type Pred_Loc = (PredType, SDoc)        -- SDoc says where the Pred comes from
202
203 improveOne :: (Class -> [Instance])             -- Gives instances for given class
204            -> Pred_Loc                          -- Do improvement triggered by this
205            -> [Pred_Loc]                        -- Current constraints 
206            -> [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]    -- Derived equalities that must also hold
207                                                 -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
208                                                 -- The Pred_Locs explain which two predicates were
209                                                 -- combined (for error messages)
210 -- Just do improvement triggered by a single, distinguised predicate
211
212 improveOne _inst_env pred@(IParam ip ty, _) preds
213   = [ ((emptyVarSet, [(ty,ty2)]), pred, p2) 
214     | p2@(IParam ip2 ty2, _) <- preds
215     , ip==ip2
216     , not (ty `tcEqType` ty2)]
217
218 improveOne inst_env pred@(ClassP cls tys, _) preds
219   | tys `lengthAtLeast` 2
220   = instance_eqns ++ pairwise_eqns
221         -- NB: we put the instance equations first.   This biases the 
222         -- order so that we first improve individual constraints against the
223         -- instances (which are perhaps in a library and less likely to be
224         -- wrong; and THEN perform the pairwise checks.
225         -- The other way round, it's possible for the pairwise check to succeed
226         -- and cause a subsequent, misleading failure of one of the pair with an
227         -- instance declaration.  See tcfail143.hs for an example
228   where
229     (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
230     instances          = inst_env cls
231     rough_tcs          = roughMatchTcs tys
232
233         -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
234         -- empty, which aborts the rest of the loop.
235     pairwise_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
236     pairwise_eqns       -- This group comes from pairwise comparison
237       = [ (eqn, pred, p2)
238         | fd <- cls_fds
239         , p2@(ClassP cls2 tys2, _) <- preds
240         , cls == cls2
241         , eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys tys2
242         ]
243
244     instance_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
245     instance_eqns       -- This group comes from comparing with instance decls
246       = [ (eqn, p_inst, pred)
247         | fd <- cls_fds         -- Iterate through the fundeps first, 
248                                 -- because there often are none!
249         , let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs cls_tvs fd rough_tcs
250                 -- Trim the rough_tcs based on the head of the fundep.
251                 -- Remember that instanceCantMatch treats both argumnents
252                 -- symmetrically, so it's ok to trim the rough_tcs,
253                 -- rather than trimming each inst_tcs in turn
254         , ispec@(Instance { is_tvs = qtvs, is_tys = tys_inst, 
255                             is_tcs = inst_tcs }) <- instances
256         , not (instanceCantMatch inst_tcs trimmed_tcs)
257         , eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys_inst tys
258         , let p_inst = (mkClassPred cls tys_inst, 
259                         sep [ ptext (sLit "arising from the dependency") <+> quotes (pprFunDep fd)
260                             , ptext (sLit "in the instance declaration at") 
261                                   <+> ppr (getSrcLoc ispec)])
262         ]
263
264 improveOne _ _ _
265   = []
266
267
268 checkClsFD :: TyVarSet                  -- Quantified type variables; see note below
269            -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
270            -> [Type] -> [Type]
271            -> [Equation]
272
273 checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
274 -- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
275 -- to make the types match.  For example, given
276 --      class C a b | a->b where ...
277 --      instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
278 --
279 -- and an Inst of form (C (Maybe t1) t2), 
280 -- then we will call checkClsFD with
281 --
282 --      qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
283 --                  tys2 = [Maybe t1, t2]
284 --
285 -- We can instantiate x to t1, and then we want to force
286 --      (Tree x) [t1/x]  ~   t2
287 --
288 -- This function is also used when matching two Insts (rather than an Inst
289 -- against an instance decl. In that case, qtvs is empty, and we are doing
290 -- an equality check
291 -- 
292 -- This function is also used by InstEnv.badFunDeps, which needs to *unify*
293 -- For the one-sided matching case, the qtvs are just from the template,
294 -- so we get matching
295 --
296   = ASSERT2( length tys1 == length tys2     && 
297              length tys1 == length clas_tvs 
298             , ppr tys1 <+> ppr tys2 )
299
300     case tcUnifyTys bind_fn ls1 ls2 of
301         Nothing  -> []
302         Just subst | isJust (tcUnifyTys bind_fn rs1' rs2') 
303                         -- Don't include any equations that already hold. 
304                         -- Reason: then we know if any actual improvement has happened,
305                         --         in which case we need to iterate the solver
306                         -- In making this check we must taking account of the fact that any 
307                         -- qtvs that aren't already instantiated can be instantiated to anything 
308                         -- at all
309                   -> []
310
311                   | otherwise   -- Aha!  A useful equation
312                   -> [ (qtvs', zip rs1' rs2')]
313                         -- We could avoid this substTy stuff by producing the eqn
314                         -- (qtvs, ls1++rs1, ls2++rs2)
315                         -- which will re-do the ls1/ls2 unification when the equation is
316                         -- executed.  What we're doing instead is recording the partial
317                         -- work of the ls1/ls2 unification leaving a smaller unification problem
318                   where
319                     rs1'  = substTys subst rs1 
320                     rs2'  = substTys subst rs2
321                     qtvs' = filterVarSet (`notElemTvSubst` subst) qtvs
322                         -- qtvs' are the quantified type variables
323                         -- that have not been substituted out
324                         --      
325                         -- Eg.  class C a b | a -> b
326                         --      instance C Int [y]
327                         -- Given constraint C Int z
328                         -- we generate the equation
329                         --      ({y}, [y], z)
330   where
331     bind_fn tv | tv `elemVarSet` qtvs = BindMe
332                | otherwise            = Skolem
333
334     (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
335     (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
336
337 instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
338 instFD (ls,rs) tvs tys
339   = (map lookup ls, map lookup rs)
340   where
341     env       = zipVarEnv tvs tys
342     lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
343 \end{code}
344
345 \begin{code}
346 checkInstCoverage :: Class -> [Type] -> Bool
347 -- Check that the Coverage Condition is obeyed in an instance decl
348 -- For example, if we have 
349 --      class theta => C a b | a -> b
350 --      instance C t1 t2 
351 -- Then we require fv(t2) `subset` fv(t1)
352 -- See Note [Coverage Condition] below
353
354 checkInstCoverage clas inst_taus
355   = all fundep_ok fds
356   where
357     (tyvars, fds) = classTvsFds clas
358     fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` tyVarsOfTypes ls
359                  where
360                    (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
361 \end{code}
362
363 Note [Coverage condition]
364 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
365 For the coverage condition, we used to require only that 
366         fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
367
368 Example:
369         class Mul a b c | a b -> c where
370                 (.*.) :: a -> b -> c
371
372         instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
373         instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
374         instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
375
376 In the third instance, it's not the case that fv([c]) `subset` fv(a,[b]).
377 But it is the case that fv([c]) `subset` oclose( theta, fv(a,[b]) )
378
379 But it is a mistake to accept the instance because then this defn:
380         f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
381 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
382         Mul a [b] b
383
384
385 %************************************************************************
386 %*                                                                      *
387         Check that a new instance decl is OK wrt fundeps
388 %*                                                                      *
389 %************************************************************************
390
391 Here is the bad case:
392         class C a b | a->b where ...
393         instance C Int Bool where ...
394         instance C Int Char where ...
395
396 The point is that a->b, so Int in the first parameter must uniquely
397 determine the second.  In general, given the same class decl, and given
398
399         instance C s1 s2 where ...
400         instance C t1 t2 where ...
401
402 Then the criterion is: if U=unify(s1,t1) then U(s2) = U(t2).
403
404 Matters are a little more complicated if there are free variables in
405 the s2/t2.  
406
407         class D a b c | a -> b
408         instance D a b => D [(a,a)] [b] Int
409         instance D a b => D [a]     [b] Bool
410
411 The instance decls don't overlap, because the third parameter keeps
412 them separate.  But we want to make sure that given any constraint
413         D s1 s2 s3
414 if s1 matches 
415
416
417 \begin{code}
418 checkFunDeps :: (InstEnv, InstEnv) -> Instance
419              -> Maybe [Instance]        -- Nothing  <=> ok
420                                         -- Just dfs <=> conflict with dfs
421 -- Check wheher adding DFunId would break functional-dependency constraints
422 -- Used only for instance decls defined in the module being compiled
423 checkFunDeps inst_envs ispec
424   | null bad_fundeps = Nothing
425   | otherwise        = Just bad_fundeps
426   where
427     (ins_tvs, _, clas, ins_tys) = instanceHead ispec
428     ins_tv_set   = mkVarSet ins_tvs
429     cls_inst_env = classInstances inst_envs clas
430     bad_fundeps  = badFunDeps cls_inst_env clas ins_tv_set ins_tys
431
432 badFunDeps :: [Instance] -> Class
433            -> TyVarSet -> [Type]        -- Proposed new instance type
434            -> [Instance]
435 badFunDeps cls_insts clas ins_tv_set ins_tys 
436   = nubBy eq_inst $
437     [ ispec | fd <- fds,        -- fds is often empty, so do this first!
438               let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs clas_tvs fd rough_tcs,
439               ispec@(Instance { is_tcs = inst_tcs, is_tvs = tvs, 
440                                 is_tys = tys }) <- cls_insts,
441                 -- Filter out ones that can't possibly match, 
442                 -- based on the head of the fundep
443               not (instanceCantMatch inst_tcs trimmed_tcs),     
444               notNull (checkClsFD (tvs `unionVarSet` ins_tv_set) 
445                                    fd clas_tvs tys ins_tys)
446     ]
447   where
448     (clas_tvs, fds) = classTvsFds clas
449     rough_tcs = roughMatchTcs ins_tys
450     eq_inst i1 i2 = instanceDFunId i1 == instanceDFunId i2
451         -- An single instance may appear twice in the un-nubbed conflict list
452         -- because it may conflict with more than one fundep.  E.g.
453         --      class C a b c | a -> b, a -> c
454         --      instance C Int Bool Bool
455         --      instance C Int Char Char
456         -- The second instance conflicts with the first by *both* fundeps
457
458 trimRoughMatchTcs :: [TyVar] -> FunDep TyVar -> [Maybe Name] -> [Maybe Name]
459 -- Computing rough_tcs for a particular fundep
460 --     class C a b c | a -> b where ...
461 -- For each instance .... => C ta tb tc
462 -- we want to match only on the type ta; so our
463 -- rough-match thing must similarly be filtered.  
464 -- Hence, we Nothing-ise the tb and tc types right here
465 trimRoughMatchTcs clas_tvs (ltvs, _) mb_tcs
466   = zipWith select clas_tvs mb_tcs
467   where
468     select clas_tv mb_tc | clas_tv `elem` ltvs = mb_tc
469                          | otherwise           = Nothing
470 \end{code}
471
472
473