[project @ 2004-02-10 17:54:50 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / typecheck / TcSimplify.lhs
1 %
2 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
3 %
4 \section[TcSimplify]{TcSimplify}
5
6
7
8 \begin{code}
9 module TcSimplify (
10         tcSimplifyInfer, tcSimplifyInferCheck,
11         tcSimplifyCheck, tcSimplifyRestricted,
12         tcSimplifyToDicts, tcSimplifyIPs, 
13         tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive,
14         tcSimplifyBracket,
15
16         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
17         bindInstsOfLocalFuns
18     ) where
19
20 #include "HsVersions.h"
21
22 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyTauTy )
23 import TcEnv            -- temp
24 import HsSyn            ( HsBind(..), LHsBinds, HsExpr(..), LHsExpr )
25 import TcHsSyn          ( TcId, TcDictBinds, mkHsApp, mkHsTyApp, mkHsDictApp )
26
27 import TcRnMonad
28 import Inst             ( lookupInst, LookupInstResult(..),
29                           tyVarsOfInst, fdPredsOfInsts, fdPredsOfInst, newDicts,
30                           isDict, isClassDict, isLinearInst, linearInstType,
31                           isStdClassTyVarDict, isMethodFor, isMethod,
32                           instToId, tyVarsOfInsts,  cloneDict,
33                           ipNamesOfInsts, ipNamesOfInst, dictPred,
34                           instBindingRequired,
35                           newDictsFromOld, tcInstClassOp,
36                           getDictClassTys, isTyVarDict,
37                           instLoc, zonkInst, tidyInsts, tidyMoreInsts,
38                           Inst, pprInsts, pprInstsInFull, tcGetInstEnvs,
39                           isIPDict, isInheritableInst, pprDFuns
40                         )
41 import TcEnv            ( tcGetGlobalTyVars, tcLookupId, findGlobals )
42 import InstEnv          ( lookupInstEnv, classInstEnv )
43 import TcMType          ( zonkTcTyVarsAndFV, tcInstTyVars, checkAmbiguity )
44 import TcType           ( TcTyVar, TcTyVarSet, ThetaType, TyVarDetails(VanillaTv),
45                           mkClassPred, isOverloadedTy, mkTyConApp,
46                           mkTyVarTy, tcGetTyVar, isTyVarClassPred, mkTyVarTys,
47                           tyVarsOfPred, tcEqType )
48 import Id               ( idType, mkUserLocal )
49 import Var              ( TyVar )
50 import Name             ( getOccName, getSrcLoc )
51 import NameSet          ( NameSet, mkNameSet, elemNameSet )
52 import Class            ( classBigSig, classKey )
53 import FunDeps          ( oclose, grow, improve, pprEquationDoc )
54 import PrelInfo         ( isNumericClass ) 
55 import PrelNames        ( splitName, fstName, sndName, integerTyConName,
56                           showClassKey, eqClassKey, ordClassKey )
57 import Subst            ( mkTopTyVarSubst, substTheta, substTy )
58 import TysWiredIn       ( pairTyCon, doubleTy )
59 import ErrUtils         ( Message )
60 import VarSet
61 import VarEnv           ( TidyEnv )
62 import FiniteMap
63 import Bag
64 import Outputable
65 import ListSetOps       ( equivClasses )
66 import Util             ( zipEqual, isSingleton )
67 import List             ( partition )
68 import SrcLoc           ( Located(..) )
69 import CmdLineOpts
70 \end{code}
71
72
73 %************************************************************************
74 %*                                                                      *
75 \subsection{NOTES}
76 %*                                                                      *
77 %************************************************************************
78
79         --------------------------------------
80         Notes on functional dependencies (a bug)
81         --------------------------------------
82
83 | > class Foo a b | a->b
84 | >
85 | > class Bar a b | a->b
86 | >
87 | > data Obj = Obj
88 | >
89 | > instance Bar Obj Obj
90 | >
91 | > instance (Bar a b) => Foo a b
92 | >
93 | > foo:: (Foo a b) => a -> String
94 | > foo _ = "works"
95 | >
96 | > runFoo:: (forall a b. (Foo a b) => a -> w) -> w
97 | > runFoo f = f Obj
98
99 | *Test> runFoo foo
100
101 | <interactive>:1:
102 |     Could not deduce (Bar a b) from the context (Foo a b)
103 |       arising from use of `foo' at <interactive>:1
104 |     Probable fix:
105 |         Add (Bar a b) to the expected type of an expression
106 |     In the first argument of `runFoo', namely `foo'
107 |     In the definition of `it': it = runFoo foo
108
109 | Why all of the sudden does GHC need the constraint Bar a b? The
110 | function foo didn't ask for that... 
111
112 The trouble is that to type (runFoo foo), GHC has to solve the problem:
113
114         Given constraint        Foo a b
115         Solve constraint        Foo a b'
116
117 Notice that b and b' aren't the same.  To solve this, just do
118 improvement and then they are the same.  But GHC currently does
119         simplify constraints
120         apply improvement
121         and loop
122
123 That is usually fine, but it isn't here, because it sees that Foo a b is
124 not the same as Foo a b', and so instead applies the instance decl for
125 instance Bar a b => Foo a b.  And that's where the Bar constraint comes
126 from.
127
128 The Right Thing is to improve whenever the constraint set changes at
129 all.  Not hard in principle, but it'll take a bit of fiddling to do.  
130
131
132
133         --------------------------------------
134                 Notes on quantification
135         --------------------------------------
136
137 Suppose we are about to do a generalisation step.
138 We have in our hand
139
140         G       the environment
141         T       the type of the RHS
142         C       the constraints from that RHS
143
144 The game is to figure out
145
146         Q       the set of type variables over which to quantify
147         Ct      the constraints we will *not* quantify over
148         Cq      the constraints we will quantify over
149
150 So we're going to infer the type
151
152         forall Q. Cq => T
153
154 and float the constraints Ct further outwards.
155
156 Here are the things that *must* be true:
157
158  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
159  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
160
161 (A) says we can't quantify over a variable that's free in the
162 environment.  (B) says we must quantify over all the truly free
163 variables in T, else we won't get a sufficiently general type.  We do
164 not *need* to quantify over any variable that is fixed by the free
165 vars of the environment G.
166
167         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
168
169 Example:        class H x y | x->y where ...
170
171         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
172                         T = c -> b
173
174         (A)  Q intersect {a} is empty
175         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
176
177         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
178
179 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
180 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
181 constraints can get into Ct instead of Cq.
182
183
184 -----------------------------------------
185 We will make use of
186
187   fv(T)         the free type vars of T
188
189   oclose(vs,C)  The result of extending the set of tyvars vs
190                 using the functional dependencies from C
191
192   grow(vs,C)    The result of extend the set of tyvars vs
193                 using all conceivable links from C.
194
195                 E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
196                 Then grow(vs,C) = {a,b,c}
197
198                 Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
199                 That is, simplfication can only shrink the result of grow.
200
201 Notice that
202    oclose is conservative one way:      v `elem` oclose(vs,C) => v is definitely fixed by vs
203    grow is conservative the other way:  if v might be fixed by vs => v `elem` grow(vs,C)
204
205
206 -----------------------------------------
207
208 Choosing Q
209 ~~~~~~~~~~
210 Here's a good way to choose Q:
211
212         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
213
214 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
215 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
216 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
217 albeit perhaps too many.
218
219 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
220
221         class H x y | x->y where ...
222
223         T = c->c
224         C = (H c d)
225
226   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
227
228         forall c. H c d => c -> b
229
230   And then if the fn was called at several different c's, each of
231   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
232   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
233   everything that might be influenced by c.
234
235 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
236 all the functional dependencies yet:
237
238         class H x y | x->y where ...
239         instance H x y => Eq (T x y) where ...
240
241         T = c->c
242         C = (Eq (T c d))
243
244   Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
245   apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
246
247
248 There really isn't any point in quantifying over any more than
249 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
250 any other type variables.
251
252
253
254         --------------------------------------
255                 Notes on ambiguity
256         --------------------------------------
257
258 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
259
260         class K x
261         class H x y | x -> y
262         instance H x y => K (x,y)
263
264 Is this type ambiguous?
265         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
266
267 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
268 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
269 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
270 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
271
272 Here's another example: is this ambiguous?
273         forall a b. Eq (T b) => a -> a
274 Not if there's an insance decl (with no context)
275         instance Eq (T b) where ...
276
277 You may say of this example that we should use the instance decl right
278 away, but you can't always do that:
279
280         class J a b where ...
281         instance J Int b where ...
282
283         f :: forall a b. J a b => a -> a
284
285 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
286 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
287 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
288 when inferring a type for f.
289
290
291
292 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
293 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
294 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
295
296 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
297
298         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
299
300 (all tested before quantification).
301 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
302 in the environment, or by the variables in the type.
303
304 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
305
306         class J a b c | a b -> c
307         fv(G) = {a}
308
309 Is this ambiguous?
310         forall b c. (J a b c) => b -> b
311
312 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
313 do we see that c is fixed.
314
315 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
316 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
317 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
318 only issue a warning.
319
320
321 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
322
323         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
324
325 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
326 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
327 the nasty example?
328
329         class K x
330         class H x y | x -> y
331         instance H x y => K (x,y)
332
333 Is this type ambiguous?
334         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
335
336 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
337 is a "bubble" that's a set of constraints
338
339         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
340
341 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
342 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
343 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
344 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
345 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
346
347
348         --------------------------------------
349                 Notes on principal types
350         --------------------------------------
351
352     class C a where
353       op :: a -> a
354
355     f x = let g y = op (y::Int) in True
356
357 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
358 but we'll produce the non-principal type
359     f :: forall a. C Int => a -> a
360
361
362         --------------------------------------
363         The need for forall's in constraints
364         --------------------------------------
365
366 [Exchange on Haskell Cafe 5/6 Dec 2000]
367
368   class C t where op :: t -> Bool
369   instance C [t] where op x = True
370
371   p y = (let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f, y ++ [])
372   q y = (y ++ [], let f :: c -> Bool; f x = op (y >> return x) in f)
373
374 The definitions of p and q differ only in the order of the components in
375 the pair on their right-hand sides.  And yet:
376
377   ghc and "Typing Haskell in Haskell" reject p, but accept q;
378   Hugs rejects q, but accepts p;
379   hbc rejects both p and q;
380   nhc98 ... (Malcolm, can you fill in the blank for us!).
381
382 The type signature for f forces context reduction to take place, and
383 the results of this depend on whether or not the type of y is known,
384 which in turn depends on which component of the pair the type checker
385 analyzes first.  
386
387 Solution: if y::m a, float out the constraints
388         Monad m, forall c. C (m c)
389 When m is later unified with [], we can solve both constraints.
390
391
392         --------------------------------------
393                 Notes on implicit parameters
394         --------------------------------------
395
396 Question 1: can we "inherit" implicit parameters
397 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
398 Consider this:
399
400         f x = (x::Int) + ?y
401
402 where f is *not* a top-level binding.
403 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
404 There are two types we might infer for f:
405
406         f :: Int -> Int
407
408 (so we get ?y from the context of f's definition), or
409
410         f :: (?y::Int) => Int -> Int
411
412 At first you might think the first was better, becuase then
413 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
414 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
415 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
416 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
417
418 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
419 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
420
421
422 Question 2: type signatures
423 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
424 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
425 to quantify over implicit parameters.  For example:
426
427         (?x + 1) :: Int
428
429 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
430
431         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
432
433 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
434 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
435 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
436 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
437
438 What about when you supply a type signature for a binding?
439 Is it legal to give the following explicit, user type 
440 signature to f, thus:
441
442         f :: Int -> Int
443         f x = (x::Int) + ?y
444
445 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
446 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
447 Consider this:
448
449         (let f x = (x::Int) + ?y
450          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
451
452                 returns (3+6, 3+5)
453 vs
454         (let f :: Int -> Int
455              f x = x + ?y
456          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
457
458                 returns (3+6, 3+6)
459
460 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
461 dynamic semantics.
462
463 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
464 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
465 change the typing you may change the semantics.
466
467 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
468 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
469 rule: 
470
471         a signature does not need to quantify over implicit params.
472
473 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
474 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
475 params for the reasons mentioned above.]
476
477 But that raises a new question.  Consider 
478
479         Given (signature)       ?x::Int
480         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
481
482 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
483 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
484 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
485 to float a constraint that
486         neither mentions any of the quantified type variables
487         nor any of the quantified implicit parameters
488
489 See the predicate isFreeWhenChecking.
490
491
492 Question 3: monomorphism
493 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
494 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
495
496         z = (x::Int) + ?y
497
498 The argument above suggests that we *must* generalise
499 over the ?y parameter, to get
500         z :: (?y::Int) => Int,
501 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
502         z :: Int.
503 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
504
505         let z = x + ?y in z+z
506
507 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
508 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
509
510
511
512 Possible choices
513 ~~~~~~~~~~~~~~~~
514 (A) Always generalise over implicit parameters
515     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
516         be generalised
517
518     Consequences:
519         * Inlining remains valid
520         * No unexpected loss of sharing
521         * But simple bindings like
522                 z = ?y + 1
523           will be rejected, unless you add an explicit type signature
524           (to avoid the monomorphism restriction)
525                 z :: (?y::Int) => Int
526                 z = ?y + 1
527           This seems unacceptable
528
529 (B) Monomorphism restriction "wins"
530     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
531         be generalised
532     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
533         that fall under the monomorphism restriction
534
535     Consequences
536         * Inlining isn't valid in general
537         * No unexpected loss of sharing
538         * Simple bindings like
539                 z = ?y + 1
540           accepted (get value of ?y from binding site)
541
542 (C) Always generalise over implicit parameters
543     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
544         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
545     Consequences
546         * Inlining remains valid
547         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
548         * Simple bindings like
549                 z = ?y + 1
550           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
551
552
553 Discussion
554 ~~~~~~~~~~
555 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
556 decide which we want to do.
557
558 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
559
560         z = (x::Int) + ?y
561
562 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
563 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
564 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
565 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
566 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
567 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
568
569 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
570 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
571 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
572 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
573 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
574 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
575 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
576 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
577 restriction altogether.
578
579 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
580
581
582
583 %************************************************************************
584 %*                                                                      *
585 \subsection{tcSimplifyInfer}
586 %*                                                                      *
587 %************************************************************************
588
589 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
590
591     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
592
593     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
594        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
595
596     3. Try improvement, using functional dependencies
597
598     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
599        (Unification can change the result of 'grow'.)
600
601 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
602 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
603 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
604 type variables than we absolutely have to.
605
606 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
607 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
608
609         class C x y | x->y where ...
610
611 and tcSimplify is called with:
612         (C Int a, C Int b)
613 Then improvement unifies a with b, giving
614         (C Int a, C Int a)
615
616 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
617 again.
618
619
620 \begin{code}
621 tcSimplifyInfer
622         :: SDoc
623         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
624         -> [Inst]               -- Wanted
625         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
626                 TcDictBinds,    -- Bindings
627                 [TcId])         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
628         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
629 \end{code}
630
631
632 \begin{code}
633 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted_lie
634   = inferLoop doc (varSetElems tau_tvs)
635               wanted_lie                `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
636
637     extendLIEs frees                                                    `thenM_`
638     returnM (qtvs, binds, map instToId irreds)
639
640 inferLoop doc tau_tvs wanteds
641   =     -- Step 1
642     zonkTcTyVarsAndFV tau_tvs           `thenM` \ tau_tvs' ->
643     mappM zonkInst wanteds              `thenM` \ wanteds' ->
644     tcGetGlobalTyVars                   `thenM` \ gbl_tvs ->
645     let
646         preds = fdPredsOfInsts wanteds'
647         qtvs  = grow preds tau_tvs' `minusVarSet` oclose preds gbl_tvs
648
649         try_me inst
650           | isFreeWhenInferring qtvs inst = Free
651           | isClassDict inst              = DontReduceUnlessConstant    -- Dicts
652           | otherwise                     = ReduceMe                    -- Lits and Methods
653     in
654     traceTc (text "infloop" <+> vcat [ppr tau_tvs', ppr wanteds', ppr preds, ppr (grow preds tau_tvs'), ppr qtvs])      `thenM_`
655                 -- Step 2
656     reduceContext doc try_me [] wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
657
658                 -- Step 3
659     if no_improvement then
660         returnM (varSetElems qtvs, frees, binds, irreds)
661     else
662         -- If improvement did some unification, we go round again.  There
663         -- are two subtleties:
664         --   a) We start again with irreds, not wanteds
665         --      Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
666         --      which might have been unified, so we'd get an infinite loop
667         --      if we started again with wanteds!  See example [LOOP]
668         --
669         --   b) It's also essential to re-process frees, because unification
670         --      might mean that a type variable that looked free isn't now.
671         --
672         -- Hence the (irreds ++ frees)
673
674         -- However, NOTICE that when we are done, we might have some bindings, but
675         -- the final qtvs might be empty.  See [NO TYVARS] below.
676                                 
677         inferLoop doc tau_tvs (irreds ++ frees) `thenM` \ (qtvs1, frees1, binds1, irreds1) ->
678         returnM (qtvs1, frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
679 \end{code}
680
681 Example [LOOP]
682
683         class If b t e r | b t e -> r
684         instance If T t e t
685         instance If F t e e
686         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
687         instance Lte Z b T
688         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
689
690 Wanted: Max Z (S x) y
691
692 Then we'll reduce using the Max instance to:
693         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
694 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
695 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
696 with (Max Z (S x) y)!
697
698 [NO TYVARS]
699
700         class Y a b | a -> b where
701             y :: a -> X b
702         
703         instance Y [[a]] a where
704             y ((x:_):_) = X x
705         
706         k :: X a -> X a -> X a
707
708         g :: Num a => [X a] -> [X a]
709         g xs = h xs
710             where
711             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
712
713 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
714 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
715 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
716 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
717 polymorphic in.  
718
719 The net effect of [NO TYVARS] 
720
721 \begin{code}
722 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
723 isFreeWhenInferring qtvs inst
724   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst          -- Constrains no quantified vars
725   && isInheritableInst inst             -- And no implicit parameter involved
726                                         -- (see "Notes on implicit parameters")
727
728 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
729                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
730                    -> Inst -> Bool
731 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
732   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
733   && isFreeWrtIPs    ips inst
734
735 isFreeWrtTyVars qtvs inst = not (tyVarsOfInst inst `intersectsVarSet` qtvs)
736 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
737 \end{code}
738
739
740 %************************************************************************
741 %*                                                                      *
742 \subsection{tcSimplifyCheck}
743 %*                                                                      *
744 %************************************************************************
745
746 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
747 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
748
749 \begin{code}
750 tcSimplifyCheck
751          :: SDoc
752          -> [TcTyVar]           -- Quantify over these
753          -> [Inst]              -- Given
754          -> [Inst]              -- Wanted
755          -> TcM TcDictBinds     -- Bindings
756
757 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
758 -- class decls, instance decls etc.
759 --
760 -- NB: tcSimplifyCheck does not consult the
761 --      global type variables in the environment; so you don't
762 --      need to worry about setting them before calling tcSimplifyCheck
763 tcSimplifyCheck doc qtvs givens wanted_lie
764   = tcSimplCheck doc get_qtvs
765                  givens wanted_lie      `thenM` \ (qtvs', binds) ->
766     returnM binds
767   where
768     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV qtvs
769
770
771 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
772 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
773 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
774 tcSimplifyInferCheck
775          :: SDoc
776          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
777          -> [Inst]              -- Given
778          -> [Inst]              -- Wanted
779          -> TcM ([TcTyVar],     -- Variables over which to quantify
780                  TcDictBinds)   -- Bindings
781
782 tcSimplifyInferCheck doc tau_tvs givens wanted_lie
783   = tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
784   where
785         -- Figure out which type variables to quantify over
786         -- You might think it should just be the signature tyvars,
787         -- but in bizarre cases you can get extra ones
788         --      f :: forall a. Num a => a -> a
789         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
790         --      g a b = (b,a)
791         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
792         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
793         -- f isn't quantified over b.
794     all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
795
796     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV all_tvs        `thenM` \ all_tvs' ->
797                tcGetGlobalTyVars                `thenM` \ gbl_tvs ->
798                let
799                   qtvs = all_tvs' `minusVarSet` gbl_tvs
800                         -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
801                         -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
802                         -- dictionaries, we quantify over
803                in
804                returnM qtvs
805 \end{code}
806
807 Here is the workhorse function for all three wrappers.
808
809 \begin{code}
810 tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
811   = check_loop givens wanted_lie        `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
812
813         -- Complain about any irreducible ones
814     mappM zonkInst given_dicts_and_ips                          `thenM` \ givens' ->
815     groupErrs (addNoInstanceErrs (Just doc) givens') irreds     `thenM_`
816
817         -- Done
818     extendLIEs frees            `thenM_`
819     returnM (qtvs, binds)
820
821   where
822     given_dicts_and_ips = filter (not . isMethod) givens
823         -- For error reporting, filter out methods, which are 
824         -- only added to the given set as an optimisation
825
826     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts givens)
827
828     check_loop givens wanteds
829       =         -- Step 1
830         mappM zonkInst givens   `thenM` \ givens' ->
831         mappM zonkInst wanteds  `thenM` \ wanteds' ->
832         get_qtvs                `thenM` \ qtvs' ->
833
834                     -- Step 2
835         let
836             -- When checking against a given signature we always reduce
837             -- until we find a match against something given, or can't reduce
838             try_me inst | isFreeWhenChecking qtvs' ip_set inst = Free
839                         | otherwise                            = ReduceMe
840         in
841         reduceContext doc try_me givens' wanteds'       `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
842
843                     -- Step 3
844         if no_improvement then
845             returnM (varSetElems qtvs', frees, binds, irreds)
846         else
847             check_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (qtvs', frees1, binds1, irreds1) ->
848             returnM (qtvs', frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
849 \end{code}
850
851
852 %************************************************************************
853 %*                                                                      *
854 \subsection{tcSimplifyRestricted}
855 %*                                                                      *
856 %************************************************************************
857
858 \begin{code}
859 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
860                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
861         :: SDoc
862         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
863         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
864         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
865                 TcDictBinds)    -- Bindings
866
867 tcSimplifyRestricted doc tau_tvs wanteds
868   =     -- First squash out all methods, to find the constrained tyvars
869         -- We can't just take the free vars of wanted_lie because that'll
870         -- have methods that may incidentally mention entirely unconstrained variables
871         --      e.g. a call to  f :: Eq a => a -> b -> b
872         -- Here, b is unconstrained.  A good example would be
873         --      foo = f (3::Int)
874         -- We want to infer the polymorphic type
875         --      foo :: forall b. b -> b
876
877         -- 'reduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
878         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
879         -- variables as possible, and we don't want to stop
880         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
881         -- immediately, with no constraint on s.
882     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (foo_frees, foo_binds, constrained_dicts) ->
883
884         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
885     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)     `thenM` \ tau_tvs' ->
886     tcGetGlobalTyVars                           `thenM` \ gbl_tvs ->
887     let
888         constrained_tvs = tyVarsOfInsts constrained_dicts
889         qtvs = (tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs)
890                          `minusVarSet` constrained_tvs
891     in
892     traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
893                 pprInsts wanteds, pprInsts foo_frees, pprInsts constrained_dicts,
894                 ppr foo_binds,
895                 ppr constrained_tvs, ppr tau_tvs', ppr qtvs ])  `thenM_`
896
897         -- The first step may have squashed more methods than
898         -- necessary, so try again, this time knowing the exact
899         -- set of type variables to quantify over.
900         --
901         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
902         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
903         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
904         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
905         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
906         --
907         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
908         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
909         -- just to float all constraints
910     restrict_loop doc qtvs wanteds
911         -- We still need a loop because improvement can take place
912         -- E.g. if we have (C (T a)) and the instance decl
913         --      instance D Int b => C (T a) where ...
914         -- and there's a functional dependency for D.   Then we may improve
915         -- the tyep variable 'b'.
916
917 restrict_loop doc qtvs wanteds
918   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
919     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems qtvs)        `thenM` \ qtvs' ->
920     let
921         try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs' inst = Free
922                     | otherwise                  = ReduceMe
923     in
924     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
925     if no_improvement then
926         ASSERT( null irreds )
927         extendLIEs frees                        `thenM_`
928         returnM (varSetElems qtvs', binds)
929     else
930         restrict_loop doc qtvs' (irreds ++ frees)       `thenM` \ (qtvs1, binds1) ->
931         returnM (qtvs1, binds `unionBags` binds1)
932 \end{code}
933
934
935 %************************************************************************
936 %*                                                                      *
937 \subsection{tcSimplifyToDicts}
938 %*                                                                      *
939 %************************************************************************
940
941 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
942 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
943 as the available stuff for the RHS of the rule.
944
945 The same thing is used for specialise pragmas. Consider
946
947         f :: Num a => a -> a
948         {-# SPECIALISE f :: Int -> Int #-}
949         f = ...
950
951 The type checker generates a binding like:
952
953         f_spec = (f :: Int -> Int)
954
955 and we want to end up with
956
957         f_spec = _inline_me_ (f Int dNumInt)
958
959 But that means that we must simplify the Method for f to (f Int dNumInt)!
960 So tcSimplifyToDicts squeezes out all Methods.
961
962 IMPORTANT NOTE:  we *don't* want to do superclass commoning up.  Consider
963
964         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
965         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
966
967 Here, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But we *dont*
968 want to get
969
970         forall dIntegralInt.
971         fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
972
973 because the scsel will mess up matching.  Instead we want
974
975         forall dIntegralInt, dNumInt.
976         fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
977
978 Hence "DontReduce NoSCs"
979
980 \begin{code}
981 tcSimplifyToDicts :: [Inst] -> TcM (TcDictBinds)
982 tcSimplifyToDicts wanteds
983   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
984         -- Since try_me doesn't look at types, we don't need to
985         -- do any zonking, so it's safe to call reduceContext directly
986     ASSERT( null frees )
987     extendLIEs irreds           `thenM_`
988     returnM binds
989
990   where
991     doc = text "tcSimplifyToDicts"
992
993         -- Reduce methods and lits only; stop as soon as we get a dictionary
994     try_me inst | isDict inst = DontReduce NoSCs        -- See notes above for why NoSCs
995                 | otherwise   = ReduceMe
996 \end{code}
997
998
999
1000 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1001 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1002 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1003 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1004 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1005 this bracket again at its usage site.
1006
1007 \begin{code}
1008 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1009 tcSimplifyBracket wanteds
1010   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM_`
1011     returnM ()
1012   where
1013     doc = text "tcSimplifyBracket"
1014 \end{code}
1015
1016
1017 %************************************************************************
1018 %*                                                                      *
1019 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1020 %*                                                                      *
1021 %************************************************************************
1022
1023 When we have
1024         let ?x = R in B
1025
1026 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1027 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1028
1029 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1030
1031         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1032         let ?x = 3 in f 'c'
1033
1034 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1035 force the binding for ?x to be of type Int.
1036
1037 \begin{code}
1038 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1039               -> [Inst]         -- Wanted
1040               -> TcM TcDictBinds
1041 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1042   = simpl_loop given_ips wanteds        `thenM` \ (frees, binds) ->
1043     extendLIEs frees                    `thenM_`
1044     returnM binds
1045   where
1046     doc      = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1047     ip_set   = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1048
1049         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1050     try_me inst | isFreeWrtIPs ip_set inst = Free
1051                 | otherwise                = ReduceMe
1052
1053     simpl_loop givens wanteds
1054       = mappM zonkInst givens           `thenM` \ givens' ->
1055         mappM zonkInst wanteds          `thenM` \ wanteds' ->
1056
1057         reduceContext doc try_me givens' wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1058
1059         if no_improvement then
1060             ASSERT( null irreds )
1061             returnM (frees, binds)
1062         else
1063             simpl_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (frees1, binds1) ->
1064             returnM (frees1, binds `unionBags` binds1)
1065 \end{code}
1066
1067
1068 %************************************************************************
1069 %*                                                                      *
1070 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1071 %*                                                                      *
1072 %************************************************************************
1073
1074 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1075 For example, we might have...
1076 \begin{verbatim}
1077 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1078     f.1 = f Int     -- two instances of f
1079     f.2 = f Float
1080  in
1081     (f.1 5, f.2 6.7)
1082 \end{verbatim}
1083 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1084 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1085 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1086 there, they would have unresolvable references to @f@.
1087
1088 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1089 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1090 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1091 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1092
1093 \begin{code}
1094 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM (LHsBinds TcId)
1095
1096 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1097   | null overloaded_ids
1098         -- Common case
1099   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1100     returnM emptyBag
1101
1102   | otherwise
1103   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1104     ASSERT( null irreds )
1105     extendLIEs frees            `thenM_`
1106     returnM binds
1107   where
1108     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1109     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1110     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1111
1112     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1113                                                 -- so it's worth building a set, so that
1114                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1115
1116     try_me inst | isMethodFor overloaded_set inst = ReduceMe
1117                 | otherwise                       = Free
1118 \end{code}
1119
1120
1121 %************************************************************************
1122 %*                                                                      *
1123 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1124 %*                                                                      *
1125 %************************************************************************
1126
1127 The main control over context reduction is here
1128
1129 \begin{code}
1130 data WhatToDo
1131  = ReduceMe             -- Try to reduce this
1132                         -- If there's no instance, behave exactly like
1133                         -- DontReduce: add the inst to
1134                         -- the irreductible ones, but don't
1135                         -- produce an error message of any kind.
1136                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1137
1138  | DontReduce WantSCs           -- Return as irreducible
1139
1140  | DontReduceUnlessConstant     -- Return as irreducible unless it can
1141                                 -- be reduced to a constant in one step
1142
1143  | Free                   -- Return as free
1144
1145 reduceMe :: Inst -> WhatToDo
1146 reduceMe inst = ReduceMe
1147
1148 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1149                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1150 \end{code}
1151
1152
1153
1154 \begin{code}
1155 type Avails = FiniteMap Inst Avail
1156
1157 data Avail
1158   = IsFree              -- Used for free Insts
1159   | Irred               -- Used for irreducible dictionaries,
1160                         -- which are going to be lambda bound
1161
1162   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
1163                         -- e.g. those "given" in a signature
1164           Bool          -- True <=> actually consumed (splittable IPs only)
1165
1166   | NoRhs               -- Used for Insts like (CCallable f)
1167                         -- where no witness is required.
1168                         -- ToDo: remove?
1169
1170   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
1171         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
1172         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
1173
1174   | Linear              -- Splittable Insts only.
1175         Int             -- The Int is always 2 or more; indicates how
1176                         -- many copies are required
1177         Inst            -- The splitter
1178         Avail           -- Where the "master copy" is
1179
1180   | LinRhss             -- Splittable Insts only; this is used only internally
1181                         --      by extractResults, where a Linear 
1182                         --      is turned into an LinRhss
1183         [LHsExpr TcId]  -- A supply of suitable RHSs
1184
1185 pprAvails avails = vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> pprAvail avail)]
1186                         | (inst,avail) <- fmToList avails ]
1187
1188 instance Outputable Avail where
1189     ppr = pprAvail
1190
1191 pprAvail NoRhs          = text "<no rhs>"
1192 pprAvail IsFree         = text "Free"
1193 pprAvail Irred          = text "Irred"
1194 pprAvail (Given x b)    = text "Given" <+> ppr x <+> 
1195                           if b then text "(used)" else empty
1196 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> ppr rhs <+> braces (ppr bs)
1197 pprAvail (Linear n i a) = text "Linear" <+> ppr n <+> braces (ppr i) <+> ppr a
1198 pprAvail (LinRhss rhss) = text "LinRhss" <+> ppr rhss
1199 \end{code}
1200
1201 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
1202 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
1203 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
1204 dependency analyser can sort them out later
1205
1206 The loop startes
1207 \begin{code}
1208 extractResults :: Avails
1209                -> [Inst]                -- Wanted
1210                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
1211                         [Inst],         -- Irreducible ones
1212                         [Inst])         -- Free ones
1213
1214 extractResults avails wanteds
1215   = go avails emptyBag [] [] wanteds
1216   where
1217     go avails binds irreds frees [] 
1218       = returnM (binds, irreds, frees)
1219
1220     go avails binds irreds frees (w:ws)
1221       = case lookupFM avails w of
1222           Nothing    -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
1223                         go avails binds irreds frees ws
1224
1225           Just NoRhs  -> go avails               binds irreds     frees     ws
1226           Just IsFree -> go (add_free avails w)  binds irreds     (w:frees) ws
1227           Just Irred  -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) frees     ws
1228
1229           Just (Given id _) -> go avails new_binds irreds frees ws
1230                             where
1231                                new_binds | id == instToId w = binds
1232                                          | otherwise        = addBind binds w (L (instSpan w) (HsVar id))
1233                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
1234                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
1235
1236           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds frees (ws' ++ ws)
1237                              where
1238                                 new_binds = addBind binds w rhs
1239
1240           Just (Linear n split_inst avail)      -- Transform Linear --> LinRhss
1241             -> get_root irreds frees avail w            `thenM` \ (irreds', frees', root_id) ->
1242                split n (instToId split_inst) root_id w  `thenM` \ (binds', rhss) ->
1243                go (addToFM avails w (LinRhss rhss))
1244                   (binds `unionBags` binds')
1245                   irreds' frees' (split_inst : w : ws)
1246
1247           Just (LinRhss (rhs:rhss))             -- Consume one of the Rhss
1248                 -> go new_avails new_binds irreds frees ws
1249                 where           
1250                    new_binds  = addBind binds w rhs
1251                    new_avails = addToFM avails w (LinRhss rhss)
1252
1253     get_root irreds frees (Given id _) w = returnM (irreds, frees, id)
1254     get_root irreds frees Irred        w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1255                                            returnM (w':irreds, frees, instToId w')
1256     get_root irreds frees IsFree       w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1257                                            returnM (irreds, w':frees, instToId w')
1258
1259     add_given avails w 
1260         | instBindingRequired w = addToFM avails w (Given (instToId w) True)
1261         | otherwise             = addToFM avails w NoRhs
1262         -- NB: make sure that CCallable/CReturnable use NoRhs rather
1263         --      than Given, else we end up with bogus bindings.
1264
1265     add_free avails w | isMethod w = avails
1266                       | otherwise  = add_given avails w
1267         -- NB: Hack alert!  
1268         -- Do *not* replace Free by Given if it's a method.
1269         -- The following situation shows why this is bad:
1270         --      truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
1271         -- From an application (truncate f i) we get
1272         --      t1 = truncate at f
1273         --      t2 = t1 at i
1274         -- If we have also have a second occurrence of truncate, we get
1275         --      t3 = truncate at f
1276         --      t4 = t3 at i
1277         -- When simplifying with i,f free, we might still notice that
1278         --   t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
1279         --   will continue to float out!
1280         -- (split n i a) returns: n rhss
1281         --                        auxiliary bindings
1282         --                        1 or 0 insts to add to irreds
1283
1284
1285 split :: Int -> TcId -> TcId -> Inst 
1286       -> TcM (TcDictBinds, [LHsExpr TcId])
1287 -- (split n split_id root_id wanted) returns
1288 --      * a list of 'n' expressions, all of which witness 'avail'
1289 --      * a bunch of auxiliary bindings to support these expressions
1290 --      * one or zero insts needed to witness the whole lot
1291 --        (maybe be zero if the initial Inst is a Given)
1292 --
1293 -- NB: 'wanted' is just a template
1294
1295 split n split_id root_id wanted
1296   = go n
1297   where
1298     ty      = linearInstType wanted
1299     pair_ty = mkTyConApp pairTyCon [ty,ty]
1300     id      = instToId wanted
1301     occ     = getOccName id
1302     loc     = getSrcLoc id
1303     span    = instSpan wanted
1304
1305     go 1 = returnM (emptyBag, [L span $ HsVar root_id])
1306
1307     go n = go ((n+1) `div` 2)           `thenM` \ (binds1, rhss) ->
1308            expand n rhss                `thenM` \ (binds2, rhss') ->
1309            returnM (binds1 `unionBags` binds2, rhss')
1310
1311         -- (expand n rhss) 
1312         -- Given ((n+1)/2) rhss, make n rhss, using auxiliary bindings
1313         --  e.g.  expand 3 [rhs1, rhs2]
1314         --        = ( { x = split rhs1 },
1315         --            [fst x, snd x, rhs2] )
1316     expand n rhss
1317         | n `rem` 2 == 0 = go rhss      -- n is even
1318         | otherwise      = go (tail rhss)       `thenM` \ (binds', rhss') ->
1319                            returnM (binds', head rhss : rhss')
1320         where
1321           go rhss = mapAndUnzipM do_one rhss    `thenM` \ (binds', rhss') ->
1322                     returnM (listToBag binds', concat rhss')
1323
1324           do_one rhs = newUnique                        `thenM` \ uniq -> 
1325                        tcLookupId fstName               `thenM` \ fst_id ->
1326                        tcLookupId sndName               `thenM` \ snd_id ->
1327                        let 
1328                           x = mkUserLocal occ uniq pair_ty loc
1329                        in
1330                        returnM (L span (VarBind x (mk_app span split_id rhs)),
1331                                 [mk_fs_app span fst_id ty x, mk_fs_app span snd_id ty x])
1332
1333 mk_fs_app span id ty var = L span (HsVar id) `mkHsTyApp` [ty,ty] `mkHsApp` (L span (HsVar var))
1334
1335 mk_app span id rhs = L span (HsApp (L span (HsVar id)) rhs)
1336
1337 addBind binds inst rhs = binds `unionBags` unitBag (L (instLocSrcSpan (instLoc inst)) 
1338                                                       (VarBind (instToId inst) rhs))
1339 instSpan wanted = instLocSrcSpan (instLoc wanted)
1340 \end{code}
1341
1342
1343 %************************************************************************
1344 %*                                                                      *
1345 \subsection[reduce]{@reduce@}
1346 %*                                                                      *
1347 %************************************************************************
1348
1349 When the "what to do" predicate doesn't depend on the quantified type variables,
1350 matters are easier.  We don't need to do any zonking, unless the improvement step
1351 does something, in which case we zonk before iterating.
1352
1353 The "given" set is always empty.
1354
1355 \begin{code}
1356 simpleReduceLoop :: SDoc
1357                  -> (Inst -> WhatToDo)          -- What to do, *not* based on the quantified type variables
1358                  -> [Inst]                      -- Wanted
1359                  -> TcM ([Inst],                -- Free
1360                          TcDictBinds,
1361                          [Inst])                -- Irreducible
1362
1363 simpleReduceLoop doc try_me wanteds
1364   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
1365     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1366     if no_improvement then
1367         returnM (frees, binds, irreds)
1368     else
1369         simpleReduceLoop doc try_me (irreds ++ frees)   `thenM` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
1370         returnM (frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
1371 \end{code}
1372
1373
1374
1375 \begin{code}
1376 reduceContext :: SDoc
1377               -> (Inst -> WhatToDo)
1378               -> [Inst]                 -- Given
1379               -> [Inst]                 -- Wanted
1380               -> TcM (Bool,             -- True <=> improve step did no unification
1381                          [Inst],        -- Free
1382                          TcDictBinds,   -- Dictionary bindings
1383                          [Inst])        -- Irreducible
1384
1385 reduceContext doc try_me givens wanteds
1386   =
1387     traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1388              text "----------------------",
1389              doc,
1390              text "given" <+> ppr givens,
1391              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1392              text "----------------------"
1393              ]))                                        `thenM_`
1394
1395         -- Build the Avail mapping from "givens"
1396     foldlM addGiven emptyFM givens                      `thenM` \ init_state ->
1397
1398         -- Do the real work
1399     reduceList (0,[]) try_me wanteds init_state         `thenM` \ avails ->
1400
1401         -- Do improvement, using everything in avails
1402         -- In particular, avails includes all superclasses of everything
1403     tcImprove avails                                    `thenM` \ no_improvement ->
1404
1405     extractResults avails wanteds                       `thenM` \ (binds, irreds, frees) ->
1406
1407     traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1408              text "----------------------",
1409              doc,
1410              text "given" <+> ppr givens,
1411              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1412              text "----",
1413              text "avails" <+> pprAvails avails,
1414              text "frees" <+> ppr frees,
1415              text "no_improvement =" <+> ppr no_improvement,
1416              text "----------------------"
1417              ]))                                        `thenM_`
1418
1419     returnM (no_improvement, frees, binds, irreds)
1420
1421 tcImprove :: Avails -> TcM Bool         -- False <=> no change
1422 -- Perform improvement using all the predicates in Avails
1423 tcImprove avails
1424  =  tcGetInstEnvs                       `thenM` \ (home_ie, pkg_ie) ->
1425     let
1426         preds = [ (pred, pp_loc)
1427                 | inst <- keysFM avails,
1428                   let pp_loc = pprInstLoc (instLoc inst),
1429                   pred <- fdPredsOfInst inst
1430                 ]
1431                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1432                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1433                 -- It does not have duplicates (good)
1434                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1435                 --    so that improve will see them separate
1436         eqns = improve get_insts preds
1437         get_insts clas = classInstEnv home_ie clas ++ classInstEnv pkg_ie clas
1438      in
1439      if null eqns then
1440         returnM True
1441      else
1442         traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))     `thenM_`
1443         mappM_ unify eqns       `thenM_`
1444         returnM False
1445   where
1446     unify ((qtvs, t1, t2), doc)
1447          = addErrCtxt doc                               $
1448            tcInstTyVars VanillaTv (varSetElems qtvs)    `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1449            unifyTauTy (substTy tenv t1) (substTy tenv t2)
1450 \end{code}
1451
1452 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1453
1454 \begin{code}
1455 reduceList :: (Int,[Inst])              -- Stack (for err msgs)
1456                                         -- along with its depth
1457            -> (Inst -> WhatToDo)
1458            -> [Inst]
1459            -> Avails
1460            -> TcM Avails
1461 \end{code}
1462
1463 @reduce@ is passed
1464      try_me:    given an inst, this function returns
1465                   Reduce       reduce this
1466                   DontReduce   return this in "irreds"
1467                   Free         return this in "frees"
1468
1469      wanteds:   The list of insts to reduce
1470      state:     An accumulating parameter of type Avails
1471                 that contains the state of the algorithm
1472
1473   It returns a Avails.
1474
1475 The (n,stack) pair is just used for error reporting.
1476 n is always the depth of the stack.
1477 The stack is the stack of Insts being reduced: to produce X
1478 I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1479
1480 \begin{code}
1481 reduceList (n,stack) try_me wanteds state
1482   | n > opt_MaxContextReductionDepth
1483   = failWithTc (reduceDepthErr n stack)
1484
1485   | otherwise
1486   =
1487 #ifdef DEBUG
1488    (if n > 8 then
1489         pprTrace "Jeepers! ReduceContext:" (reduceDepthMsg n stack)
1490     else (\x->x))
1491 #endif
1492     go wanteds state
1493   where
1494     go []     state = returnM state
1495     go (w:ws) state = reduce (n+1, w:stack) try_me w state      `thenM` \ state' ->
1496                       go ws state'
1497
1498     -- Base case: we're done!
1499 reduce stack try_me wanted avails
1500     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1501   | Just avail <- isAvailable avails wanted
1502   = if isLinearInst wanted then
1503         addLinearAvailable avails avail wanted  `thenM` \ (avails', wanteds') ->
1504         reduceList stack try_me wanteds' avails'
1505     else
1506         returnM avails          -- No op for non-linear things
1507
1508   | otherwise
1509   = case try_me wanted of {
1510
1511       DontReduce want_scs -> addIrred want_scs avails wanted
1512
1513     ; DontReduceUnlessConstant ->    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
1514                                      -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1515         try_simple (addIrred AddSCs)    -- Assume want superclasses
1516
1517     ; Free ->   -- It's free so just chuck it upstairs
1518                 -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1519         try_simple addFree
1520
1521     ; ReduceMe ->               -- It should be reduced
1522         lookupInst wanted             `thenM` \ lookup_result ->
1523         case lookup_result of
1524             GenInst wanteds' rhs -> addIrred NoSCs avails wanted                `thenM` \ avails1 ->
1525                                     reduceList stack try_me wanteds' avails1    `thenM` \ avails2 ->
1526                                     addWanted avails2 wanted rhs wanteds'
1527                 -- Experiment with temporarily doing addIrred *before* the reduceList, 
1528                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1529                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1530                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1531                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1532                 --     superclasses too, and thaat can lead to a spurious loop; see
1533                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1534                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1535
1536             SimpleInst rhs       -> addWanted avails wanted rhs []
1537
1538             NoInstance ->    -- No such instance!
1539                              -- Add it and its superclasses
1540                              addIrred AddSCs avails wanted
1541     }
1542   where
1543     try_simple do_this_otherwise
1544       = lookupInst wanted         `thenM` \ lookup_result ->
1545         case lookup_result of
1546             SimpleInst rhs -> addWanted avails wanted rhs []
1547             other          -> do_this_otherwise avails wanted
1548 \end{code}
1549
1550
1551 \begin{code}
1552 -------------------------
1553 isAvailable :: Avails -> Inst -> Maybe Avail
1554 isAvailable avails wanted = lookupFM avails wanted
1555         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
1556         -- *not* by unique.  So
1557         --      d1::C Int ==  d2::C Int
1558
1559 addLinearAvailable :: Avails -> Avail -> Inst -> TcM (Avails, [Inst])
1560 addLinearAvailable avails avail wanted
1561         -- avails currently maps [wanted -> avail]
1562         -- Extend avails to reflect a neeed for an extra copy of avail
1563
1564   | Just avail' <- split_avail avail
1565   = returnM (addToFM avails wanted avail', [])
1566
1567   | otherwise
1568   = tcLookupId splitName                        `thenM` \ split_id ->
1569     tcInstClassOp (instLoc wanted) split_id 
1570                   [linearInstType wanted]       `thenM` \ split_inst ->
1571     returnM (addToFM avails wanted (Linear 2 split_inst avail), [split_inst])
1572
1573   where
1574     split_avail :: Avail -> Maybe Avail
1575         -- (Just av) if there's a modified version of avail that
1576         --           we can use to replace avail in avails
1577         -- Nothing   if there isn't, so we need to create a Linear
1578     split_avail (Linear n i a)              = Just (Linear (n+1) i a)
1579     split_avail (Given id used) | not used  = Just (Given id True)
1580                                 | otherwise = Nothing
1581     split_avail Irred                       = Nothing
1582     split_avail IsFree                      = Nothing
1583     split_avail other = pprPanic "addLinearAvailable" (ppr avail $$ ppr wanted $$ ppr avails)
1584                   
1585 -------------------------
1586 addFree :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1587         -- When an Inst is tossed upstairs as 'free' we nevertheless add it
1588         -- to avails, so that any other equal Insts will be commoned up right
1589         -- here rather than also being tossed upstairs.  This is really just
1590         -- an optimisation, and perhaps it is more trouble that it is worth,
1591         -- as the following comments show!
1592         --
1593         -- NB: do *not* add superclasses.  If we have
1594         --      df::Floating a
1595         --      dn::Num a
1596         -- but a is not bound here, then we *don't* want to derive
1597         -- dn from df here lest we lose sharing.
1598         --
1599 addFree avails free = returnM (addToFM avails free IsFree)
1600
1601 addWanted :: Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
1602 addWanted avails wanted rhs_expr wanteds
1603   = addAvailAndSCs avails wanted avail
1604   where
1605     avail | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr wanteds
1606           | otherwise                  = ASSERT( null wanteds ) NoRhs
1607
1608 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1609 addGiven avails given = addAvailAndSCs avails given (Given (instToId given) False)
1610         -- No ASSERT( not (given `elemFM` avails) ) because in an instance
1611         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
1612         -- so the assert isn't true
1613
1614 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1615 addIrred NoSCs  avails irred = returnM (addToFM avails irred Irred)
1616 addIrred AddSCs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemFM` avails), ppr irred $$ ppr avails )
1617                                addAvailAndSCs avails irred Irred
1618
1619 addAvailAndSCs :: Avails -> Inst -> Avail -> TcM Avails
1620 addAvailAndSCs avails inst avail
1621   | not (isClassDict inst) = returnM avails1
1622   | otherwise              = traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps]) `thenM_`
1623                              addSCs is_loop avails1 inst 
1624   where
1625     avails1      = addToFM avails inst avail
1626     is_loop inst = any (`tcEqType` idType (instToId inst)) dep_tys
1627                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
1628     deps         = findAllDeps emptyVarSet avail
1629     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
1630
1631     findAllDeps :: IdSet -> Avail -> IdSet
1632     -- Find all the Insts that this one depends on
1633     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1634     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
1635     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
1636     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) 
1637       = foldl findAllDeps
1638               (extendVarSetList so_far (map instToId kids))     -- Add the kids to so_far
1639               [a | Just a <- map (lookupFM avails) kids]        -- Find the kids' Avail
1640     findAllDeps so_far other = so_far
1641
1642
1643 addSCs :: (Inst -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1644         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
1645         -- The first param says "dont do this because the original thing
1646         --      depends on this one, so you'd build a loop"
1647         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
1648
1649 addSCs is_loop avails dict
1650   = newDictsFromOld dict sc_theta'      `thenM` \ sc_dicts ->
1651     foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels)
1652   where
1653     (clas, tys) = getDictClassTys dict
1654     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
1655     sc_theta' = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta
1656
1657     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)     -- Add it, and its superclasses
1658       | add_me sc_dict = addSCs is_loop avails' sc_dict
1659       | otherwise      = returnM avails
1660       where
1661         sc_sel_rhs = mkHsDictApp (mkHsTyApp (L (instSpan dict) (HsVar sc_sel)) tys) [instToId dict]
1662         avails'    = addToFM avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
1663
1664     add_me :: Inst -> Bool
1665     add_me sc_dict
1666         | is_loop sc_dict = False       -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1667         | otherwise       = case lookupFM avails sc_dict of
1668                                 Just (Given _ _) -> False       -- Given is cheaper than superclass selection
1669                                 other            -> True        
1670 \end{code}
1671
1672 Note [SUPERCLASS-LOOP]: Checking for loops
1673 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1674 We have to be careful here.  If we are *given* d1:Ord a,
1675 and want to deduce (d2:C [a]) where
1676
1677         class Ord a => C a where
1678         instance Ord a => C [a] where ...
1679
1680 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] and then add the
1681 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1682 for d1:Ord a (which is given) with a superclass selection or we'll just
1683 build a loop! 
1684
1685 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1686         class Monad m => C1 m
1687         class C1 m => C2 m x
1688         instance C2 Maybe Bool
1689 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1690 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1691 before we search for C1 Maybe.
1692
1693 Here's another example 
1694         class Eq b => Foo a b
1695         instance Eq a => Foo [a] a
1696 If we are reducing
1697         (Foo [t] t)
1698
1699 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1700 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1701
1702 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1703 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1704 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1705 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1706 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Irred
1707 first time, but reducible next time.
1708
1709 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1710 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1711
1712
1713 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1714 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1715 Consider 
1716     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1717     
1718     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1719         ZeroD     == ZeroD     = True
1720         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1721         _         == _         = False;
1722     
1723     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1724     equalDC = (==);
1725
1726 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1727
1728         d1 : Eq (D [])
1729
1730 by instance decl, holds if
1731         d2 : Eq [D []]
1732         where   d1 = dfEqD d2
1733
1734 by instance decl of Eq, holds if
1735         d3 : D []
1736         where   d2 = dfEqList d3
1737                 d1 = dfEqD d2
1738
1739 But now we can "tie the knot" to give
1740
1741         d3 = d1
1742         d2 = dfEqList d3
1743         d1 = dfEqD d2
1744
1745 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
1746 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
1747 contributing clauses.
1748         
1749
1750 %************************************************************************
1751 %*                                                                      *
1752 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
1753 %*                                                                      *
1754 %************************************************************************
1755
1756
1757 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
1758 and ambiguous Insts.
1759
1760 We need to be careful of one case.  Suppose we have
1761
1762         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
1763
1764 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
1765 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
1766
1767 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
1768
1769
1770 \begin{code}
1771 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
1772 tcSimplifyTop         wanteds = tc_simplify_top False {- Not interactive loop -} wanteds
1773 tcSimplifyInteractive wanteds = tc_simplify_top True  {- Interactive loop -}     wanteds
1774
1775
1776 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
1777 -- error message generation for the monomorphism restriction
1778 tc_simplify_top is_interactive wanteds
1779   = getLclEnv                                                   `thenM` \ lcl_env ->
1780     traceTc (text "tcSimplifyTop" <+> ppr (lclEnvElts lcl_env)) `thenM_`
1781     simpleReduceLoop (text "tcSimplTop") reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1782     ASSERT( null frees )
1783
1784     let
1785                 -- All the non-std ones are definite errors
1786         (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
1787
1788                 -- Group by type variable
1789         std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
1790
1791                 -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
1792                 -- namely, the onese whose type variable isn't bound
1793                 -- up with one of the non-standard classes
1794         (std_oks, std_bads)     = partition worth_a_try std_groups
1795         worth_a_try group@(d:_) = not (non_std_tyvars `intersectsVarSet` tyVarsOfInst d)
1796         non_std_tyvars          = unionVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
1797
1798                 -- Collect together all the bad guys
1799         bad_guys               = non_stds ++ concat std_bads
1800         (bad_ips, non_ips)     = partition isIPDict bad_guys
1801         (no_insts, ambigs)     = partition no_inst non_ips
1802         no_inst d              = not (isTyVarDict d) 
1803         -- Previously, there was a more elaborate no_inst definition:
1804         --      no_inst d = not (isTyVarDict d) || tyVarsOfInst d `subVarSet` fixed_tvs
1805         --      fixed_tvs = oclose (fdPredsOfInsts tidy_dicts) emptyVarSet
1806         -- But that seems over-elaborate to me; it only bites for class decls with
1807         -- fundeps like this:           class C a b | -> b where ...
1808     in
1809
1810         -- Report definite errors
1811     groupErrs (addNoInstanceErrs Nothing []) no_insts   `thenM_`
1812     addTopIPErrs bad_ips                                `thenM_`
1813
1814         -- Deal with ambiguity errors, but only if
1815         -- if there has not been an error so far; errors often
1816         -- give rise to spurious ambiguous Insts
1817     ifErrsM (returnM []) (
1818         
1819         -- Complain about the ones that don't fall under
1820         -- the Haskell rules for disambiguation
1821         -- This group includes both non-existent instances
1822         --      e.g. Num (IO a) and Eq (Int -> Int)
1823         -- and ambiguous dictionaries
1824         --      e.g. Num a
1825         addTopAmbigErrs ambigs          `thenM_`
1826
1827         -- Disambiguate the ones that look feasible
1828         mappM (disambigGroup is_interactive) std_oks
1829     )                                   `thenM` \ binds_ambig ->
1830
1831     returnM (binds `unionBags` unionManyBags binds_ambig)
1832
1833 ----------------------------------
1834 d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
1835
1836 get_tv d   = case getDictClassTys d of
1837                    (clas, [ty]) -> tcGetTyVar "tcSimplify" ty
1838 get_clas d = case getDictClassTys d of
1839                    (clas, [ty]) -> clas
1840 \end{code}
1841
1842 If a dictionary constrains a type variable which is
1843         * not mentioned in the environment
1844         * and not mentioned in the type of the expression
1845 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
1846 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
1847 parameter to a function.
1848
1849 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
1850 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
1851 Specifically, if
1852         * at least one of its classes is a numeric class, and
1853         * all of its classes are numeric or standard
1854 then the type variable can be defaulted to the first type in the
1855 default-type list which is an instance of all the offending classes.
1856
1857 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
1858 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
1859 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
1860 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
1861
1862 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
1863 the same type variable.
1864
1865 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
1866 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
1867 the most common use of defaulting is code like:
1868 \begin{verbatim}
1869         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
1870 \end{verbatim}
1871 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
1872 @void@.
1873
1874 \begin{code}
1875 disambigGroup :: Bool   -- True <=> simplifying at top-level interactive loop
1876               -> [Inst] -- All standard classes of form (C a)
1877               -> TcM TcDictBinds
1878
1879 disambigGroup is_interactive dicts
1880   |   any std_default_class classes     -- Guaranteed all standard classes
1881   =     -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
1882         -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
1883
1884         -- Failure here is caused by there being no type in the
1885         -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
1886         -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
1887         -- default list is Int.
1888     get_default_tys                     `thenM` \ default_tys ->
1889     let
1890       try_default []    -- No defaults work, so fail
1891         = failM
1892
1893       try_default (default_ty : default_tys)
1894         = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $ -- If default_ty fails, we try
1895                                                 -- default_tys instead
1896           tcSimplifyDefault theta               `thenM` \ _ ->
1897           returnM default_ty
1898         where
1899           theta = [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
1900     in
1901         -- See if any default works
1902     tryM (try_default default_tys)      `thenM` \ mb_ty ->
1903     case mb_ty of
1904         Left  _                 -> bomb_out
1905         Right chosen_default_ty -> choose_default chosen_default_ty
1906
1907   | otherwise                           -- No defaults
1908   = bomb_out
1909
1910   where
1911     tyvar   = get_tv (head dicts)       -- Should be non-empty
1912     classes = map get_clas dicts
1913
1914     std_default_class cls
1915       =  isNumericClass cls
1916       || (is_interactive && 
1917           classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
1918                 -- In interactive mode, we default Show a to Show ()
1919                 -- to avoid graututious errors on "show []"
1920
1921     choose_default default_ty   -- Commit to tyvar = default_ty
1922       = -- Bind the type variable 
1923         unifyTauTy default_ty (mkTyVarTy tyvar) `thenM_`
1924         -- and reduce the context, for real this time
1925         simpleReduceLoop (text "disambig" <+> ppr dicts)
1926                      reduceMe dicts                     `thenM` \ (frees, binds, ambigs) ->
1927         WARN( not (null frees && null ambigs), ppr frees $$ ppr ambigs )
1928         warnDefault dicts default_ty                    `thenM_`
1929         returnM binds
1930
1931     bomb_out = addTopAmbigErrs dicts    `thenM_`
1932                returnM emptyBag
1933
1934 get_default_tys
1935   = do  { mb_defaults <- getDefaultTys
1936         ; case mb_defaults of
1937                 Just tys -> return tys
1938                 Nothing  ->     -- No use-supplied default;
1939                                 -- use [Integer, Double]
1940                             do { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
1941                                ; return [integer_ty, doubleTy] } }
1942 \end{code}
1943
1944 [Aside - why the defaulting mechanism is turned off when
1945  dealing with arguments and results to ccalls.
1946
1947 When typechecking _ccall_s, TcExpr ensures that the external
1948 function is only passed arguments (and in the other direction,
1949 results) of a restricted set of 'native' types. This is
1950 implemented via the help of the pseudo-type classes,
1951 @CReturnable@ (CR) and @CCallable@ (CC.)
1952
1953 The interaction between the defaulting mechanism for numeric
1954 values and CC & CR can be a bit puzzling to the user at times.
1955 For example,
1956
1957     x <- _ccall_ f
1958     if (x /= 0) then
1959        _ccall_ g x
1960      else
1961        return ()
1962
1963 What type has 'x' got here? That depends on the default list
1964 in operation, if it is equal to Haskell 98's default-default
1965 of (Integer, Double), 'x' has type Double, since Integer
1966 is not an instance of CR. If the default list is equal to
1967 Haskell 1.4's default-default of (Int, Double), 'x' has type
1968 Int.
1969
1970 To try to minimise the potential for surprises here, the
1971 defaulting mechanism is turned off in the presence of
1972 CCallable and CReturnable.
1973
1974 End of aside]
1975
1976
1977 %************************************************************************
1978 %*                                                                      *
1979 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
1980 %*                                                                      *
1981 %************************************************************************
1982
1983 Much simpler versions when there are no bindings to make!
1984
1985 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
1986 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
1987 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
1988
1989 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
1990 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
1991 instance declarations.
1992
1993 \begin{code}
1994 tcSimplifyDeriv :: [TyVar]      
1995                 -> ThetaType            -- Wanted
1996                 -> TcM ThetaType        -- Needed
1997
1998 tcSimplifyDeriv tyvars theta
1999   = tcInstTyVars VanillaTv tyvars                       `thenM` \ (tvs, _, tenv) ->
2000         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2001         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2002         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2003     newDicts DataDeclOrigin (substTheta tenv theta)     `thenM` \ wanteds ->
2004     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds               `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2005     ASSERT( null frees )                        -- reduceMe never returns Free
2006
2007     doptM Opt_AllowUndecidableInstances         `thenM` \ undecidable_ok ->
2008     let
2009         tv_set      = mkVarSet tvs
2010         simpl_theta = map dictPred irreds       -- reduceMe squashes all non-dicts
2011
2012         check_pred pred
2013           | isEmptyVarSet pred_tyvars   -- Things like (Eq T) should be rejected
2014           = addErrTc (noInstErr pred)
2015
2016           | not undecidable_ok && not (isTyVarClassPred pred)
2017           -- Check that the returned dictionaries are all of form (C a b)
2018           --    (where a, b are type variables).  
2019           -- We allow this if we had -fallow-undecidable-instances,
2020           -- but note that risks non-termination in the 'deriving' context-inference
2021           -- fixpoint loop.   It is useful for situations like
2022           --    data Min h a = E | M a (h a)
2023           -- which gives the instance decl
2024           --    instance (Eq a, Eq (h a)) => Eq (Min h a)
2025           = addErrTc (noInstErr pred)
2026   
2027           | not (pred_tyvars `subVarSet` tv_set) 
2028           -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
2029           -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
2030           -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
2031           -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
2032           -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
2033           = addErrTc (badDerivedPred pred)
2034   
2035           | otherwise
2036           = returnM ()
2037           where
2038             pred_tyvars = tyVarsOfPred pred
2039
2040         rev_env = mkTopTyVarSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2041                 -- This reverse-mapping is a Royal Pain, 
2042                 -- but the result should mention TyVars not TcTyVars
2043     in
2044    
2045     mappM check_pred simpl_theta                `thenM_`
2046     checkAmbiguity tvs simpl_theta tv_set       `thenM_`
2047     returnM (substTheta rev_env simpl_theta)
2048   where
2049     doc    = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2050 \end{code}
2051
2052 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2053 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2054 whether it worked or not.
2055
2056 \begin{code}
2057 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2058                   -> TcM ()
2059
2060 tcSimplifyDefault theta
2061   = newDicts DataDeclOrigin theta               `thenM` \ wanteds ->
2062     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2063     ASSERT( null frees )        -- try_me never returns Free
2064     mappM (addErrTc . noInstErr) irreds         `thenM_`
2065     if null irreds then
2066         returnM ()
2067     else
2068         failM
2069   where
2070     doc = ptext SLIT("default declaration")
2071 \end{code}
2072
2073
2074 %************************************************************************
2075 %*                                                                      *
2076 \section{Errors and contexts}
2077 %*                                                                      *
2078 %************************************************************************
2079
2080 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2081 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2082 now?
2083
2084 \begin{code}
2085 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2086           -> [Inst]             -- The offending Insts
2087           -> TcM ()
2088 -- Group together insts with the same origin
2089 -- We want to report them together in error messages
2090
2091 groupErrs report_err [] 
2092   = returnM ()
2093 groupErrs report_err (inst:insts) 
2094   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2095     groupErrs report_err others
2096
2097   where
2098         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2099         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2100         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2101    (friends, others) = partition is_friend insts
2102    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2103    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2104    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2105                 -- Add location and context information derived from the Insts
2106
2107 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2108 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2109 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstLoc (instLoc (head insts)))
2110
2111 plural [x] = empty
2112 plural xs  = char 's'
2113
2114 addTopIPErrs dicts
2115   = groupErrs report tidy_dicts
2116   where
2117     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2118     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2119     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2120                                      plural tidy_dicts <+> pprInsts tidy_dicts)
2121
2122 addNoInstanceErrs :: Maybe SDoc -- Nothing => top level
2123                                 -- Just d => d describes the construct
2124                   -> [Inst]     -- What is given by the context or type sig
2125                   -> [Inst]     -- What is wanted
2126                   -> TcM ()     
2127 addNoInstanceErrs mb_what givens [] 
2128   = returnM ()
2129 addNoInstanceErrs mb_what givens dicts
2130   =     -- Some of the dicts are here because there is no instances
2131         -- and some because there are too many instances (overlap)
2132         -- The first thing we do is separate them
2133     getDOpts            `thenM` \ dflags ->
2134     tcGetInstEnvs       `thenM` \ inst_envs ->
2135     let
2136         (tidy_env1, tidy_givens) = tidyInsts givens
2137         (tidy_env2, tidy_dicts)  = tidyMoreInsts tidy_env1 dicts
2138
2139         -- Run through the dicts, generating a message for each
2140         -- overlapping one, but simply accumulating all the 
2141         -- no-instance ones so they can be reported as a group
2142         (overlap_doc, no_inst_dicts) = foldl check_overlap (empty, []) tidy_dicts
2143         check_overlap (overlap_doc, no_inst_dicts) dict 
2144           | not (isClassDict dict) = (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)
2145           | otherwise
2146           = case lookupInstEnv dflags inst_envs clas tys of
2147                 res@(ms, _) 
2148                   | length ms > 1 -> (mk_overlap_msg dict res $$ overlap_doc, no_inst_dicts)
2149                   | otherwise     -> (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)        -- No match
2150                 -- NB: there can be exactly one match, in the case where we have
2151                 --      instance C a where ...
2152                 -- (In this case, lookupInst doesn't bother to look up, 
2153                 --  unless -fallow-undecidable-instances is set.)
2154                 -- So we report this as "no instance" rather than "overlap"; the fix is
2155                 -- to specify -fallow-undecidable-instances, but we leave that to the programmer!
2156           where
2157             (clas,tys) = getDictClassTys dict
2158     in
2159     mk_probable_fix tidy_env2 mb_what no_inst_dicts     `thenM` \ (tidy_env3, probable_fix) ->
2160     let
2161         no_inst_doc | null no_inst_dicts = empty
2162                     | otherwise = vcat [addInstLoc no_inst_dicts heading, probable_fix]
2163         heading | null givens = ptext SLIT("No instance") <> plural no_inst_dicts <+> 
2164                                 ptext SLIT("for") <+> pprInsts no_inst_dicts
2165                 | otherwise   = sep [ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprInsts no_inst_dicts,
2166                                      nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprInsts tidy_givens]
2167     in
2168     addErrTcM (tidy_env3, no_inst_doc $$ overlap_doc)
2169  
2170   where
2171     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2172       = vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") <+> ppr dict)),
2173                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2174                      nest 2 (pprDFuns (dfuns ++ unifiers))],
2175                 if null unifiers 
2176                 then empty
2177                 else parens (ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2178                              quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))))]
2179       where
2180         dfuns = [df | (_, (_,_,df)) <- matches]
2181
2182     mk_probable_fix tidy_env Nothing dicts      -- Top level
2183       = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts
2184     mk_probable_fix tidy_env (Just what) dicts  -- Nested (type signatures, instance decls)
2185       = returnM (tidy_env, sep [ptext SLIT("Probable fix:"), nest 2 fix1, nest 2 fix2])
2186       where
2187         fix1 = sep [ptext SLIT("Add") <+> pprInsts dicts,
2188                     ptext SLIT("to the") <+> what]
2189
2190         fix2 | null instance_dicts = empty
2191              | otherwise           = ptext SLIT("Or add an instance declaration for")
2192                                      <+> pprInsts instance_dicts
2193         instance_dicts = [d | d <- dicts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2194                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2195                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2196
2197
2198 addTopAmbigErrs dicts
2199 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
2200   = mapM report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
2201   where
2202     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2203
2204     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
2205     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
2206     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
2207     
2208     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
2209     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
2210         = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts      `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
2211           addSrcSpan (instLocSrcSpan (instLoc inst)) $
2212                 -- the location of the first one will do for the err message
2213           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
2214         where
2215           dicts = map fst pairs
2216           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
2217                              pprQuotedList tvs <+> in_msg,
2218                      nest 2 (pprInstsInFull dicts)]
2219           in_msg | isSingleton dicts = text "in the top-level constraint:"
2220                  | otherwise         = text "in these top-level constraints:"
2221
2222
2223 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [Inst] -> TcM (TidyEnv, Message)
2224 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
2225 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
2226 -- Try to identify the offending variable
2227 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
2228 mkMonomorphismMsg tidy_env insts
2229   | isEmptyVarSet inst_tvs
2230   = returnM (tidy_env, empty)
2231   | otherwise
2232   = findGlobals inst_tvs tidy_env       `thenM` \ (tidy_env, docs) ->
2233     returnM (tidy_env, mk_msg docs)
2234
2235   where
2236     inst_tvs = tyVarsOfInsts insts
2237
2238     mk_msg []   = empty         -- This happens in things like
2239                                 --      f x = show (read "foo")
2240                                 -- whre monomorphism doesn't play any role
2241     mk_msg docs = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
2242                         nest 2 (vcat docs),
2243                         ptext SLIT("Probable fix: give these definition(s) an explicit type signature")]
2244     
2245 warnDefault dicts default_ty
2246   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
2247     addInstCtxt (instLoc (head dicts)) (warnTc warn_flag warn_msg)
2248   where
2249         -- Tidy them first
2250     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2251     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
2252                                 quotes (ppr default_ty),
2253                       pprInstsInFull tidy_dicts]
2254
2255 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
2256 noInstErr pred = ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (ppr pred)
2257
2258 badDerivedPred pred
2259   = vcat [ptext SLIT("Can't derive instances where the instance context mentions"),
2260           ptext SLIT("type variables that are not data type parameters"),
2261           nest 2 (ptext SLIT("Offending constraint:") <+> ppr pred)]
2262
2263 reduceDepthErr n stack
2264   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
2265           ptext SLIT("Use -fcontext-stack20 to increase stack size to (e.g.) 20"),
2266           nest 4 (pprInstsInFull stack)]
2267
2268 reduceDepthMsg n stack = nest 4 (pprInstsInFull stack)
2269 \end{code}