999d390b9cac4cd7114858af53ef079f84dc51e1
[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, tcSimplifyTop,
13         tcSimplifyBracket,
14
15         tcSimplifyDeriv, tcSimplifyDefault,
16         bindInstsOfLocalFuns
17     ) where
18
19 #include "HsVersions.h"
20
21 import {-# SOURCE #-} TcUnify( unifyTauTy )
22 import TcEnv            -- temp
23 import HsSyn            ( MonoBinds(..), HsExpr(..), andMonoBinds, andMonoBindList )
24 import TcHsSyn          ( TcExpr, TcId,
25                           TcMonoBinds, TcDictBinds
26                         )
27
28 import TcRnMonad
29 import Inst             ( lookupInst, LookupInstResult(..),
30                           tyVarsOfInst, fdPredsOfInsts, fdPredsOfInst, newDicts,
31                           isDict, isClassDict, isLinearInst, linearInstType,
32                           isStdClassTyVarDict, isMethodFor, isMethod,
33                           instToId, tyVarsOfInsts,  cloneDict,
34                           ipNamesOfInsts, ipNamesOfInst, dictPred,
35                           instBindingRequired, instCanBeGeneralised,
36                           newDictsFromOld, tcInstClassOp,
37                           getDictClassTys, isTyVarDict,
38                           instLoc, zonkInst, tidyInsts, tidyMoreInsts,
39                           Inst, pprInsts, pprInstsInFull,
40                           isIPDict, isInheritableInst
41                         )
42 import TcEnv            ( tcGetGlobalTyVars, tcGetInstEnv, tcLookupId, findGlobals )
43 import InstEnv          ( lookupInstEnv, classInstEnv, InstLookupResult(..) )
44 import TcMType          ( zonkTcTyVarsAndFV, tcInstTyVars, checkAmbiguity )
45 import TcType           ( TcTyVar, TcTyVarSet, ThetaType, TyVarDetails(VanillaTv),
46                           mkClassPred, isOverloadedTy, mkTyConApp,
47                           mkTyVarTy, tcGetTyVar, isTyVarClassPred, mkTyVarTys,
48                           tyVarsOfPred )
49 import Id               ( idType, mkUserLocal )
50 import Var              ( TyVar )
51 import Name             ( getOccName, getSrcLoc )
52 import NameSet          ( NameSet, mkNameSet, elemNameSet )
53 import Class            ( classBigSig )
54 import FunDeps          ( oclose, grow, improve, pprEquationDoc )
55 import PrelInfo         ( isNumericClass, isCreturnableClass, isCcallishClass ) 
56 import PrelNames        ( splitName, fstName, sndName )
57
58 import Subst            ( mkTopTyVarSubst, substTheta, substTy )
59 import TysWiredIn       ( unitTy, pairTyCon )
60 import ErrUtils         ( Message )
61 import VarSet
62 import VarEnv           ( TidyEnv )
63 import FiniteMap
64 import Outputable
65 import ListSetOps       ( equivClasses )
66 import Util             ( zipEqual, isSingleton )
67 import List             ( partition )
68 import CmdLineOpts
69 \end{code}
70
71
72 %************************************************************************
73 %*                                                                      *
74 \subsection{NOTES}
75 %*                                                                      *
76 %************************************************************************
77
78         --------------------------------------
79                 Notes on quantification
80         --------------------------------------
81
82 Suppose we are about to do a generalisation step.
83 We have in our hand
84
85         G       the environment
86         T       the type of the RHS
87         C       the constraints from that RHS
88
89 The game is to figure out
90
91         Q       the set of type variables over which to quantify
92         Ct      the constraints we will *not* quantify over
93         Cq      the constraints we will quantify over
94
95 So we're going to infer the type
96
97         forall Q. Cq => T
98
99 and float the constraints Ct further outwards.
100
101 Here are the things that *must* be true:
102
103  (A)    Q intersect fv(G) = EMPTY                       limits how big Q can be
104  (B)    Q superset fv(Cq union T) \ oclose(fv(G),C)     limits how small Q can be
105
106 (A) says we can't quantify over a variable that's free in the
107 environment.  (B) says we must quantify over all the truly free
108 variables in T, else we won't get a sufficiently general type.  We do
109 not *need* to quantify over any variable that is fixed by the free
110 vars of the environment G.
111
112         BETWEEN THESE TWO BOUNDS, ANY Q WILL DO!
113
114 Example:        class H x y | x->y where ...
115
116         fv(G) = {a}     C = {H a b, H c d}
117                         T = c -> b
118
119         (A)  Q intersect {a} is empty
120         (B)  Q superset {a,b,c,d} \ oclose({a}, C) = {a,b,c,d} \ {a,b} = {c,d}
121
122         So Q can be {c,d}, {b,c,d}
123
124 Other things being equal, however, we'd like to quantify over as few
125 variables as possible: smaller types, fewer type applications, more
126 constraints can get into Ct instead of Cq.
127
128
129 -----------------------------------------
130 We will make use of
131
132   fv(T)         the free type vars of T
133
134   oclose(vs,C)  The result of extending the set of tyvars vs
135                 using the functional dependencies from C
136
137   grow(vs,C)    The result of extend the set of tyvars vs
138                 using all conceivable links from C.
139
140                 E.g. vs = {a}, C = {H [a] b, K (b,Int) c, Eq e}
141                 Then grow(vs,C) = {a,b,c}
142
143                 Note that grow(vs,C) `superset` grow(vs,simplify(C))
144                 That is, simplfication can only shrink the result of grow.
145
146 Notice that
147    oclose is conservative one way:      v `elem` oclose(vs,C) => v is definitely fixed by vs
148    grow is conservative the other way:  if v might be fixed by vs => v `elem` grow(vs,C)
149
150
151 -----------------------------------------
152
153 Choosing Q
154 ~~~~~~~~~~
155 Here's a good way to choose Q:
156
157         Q = grow( fv(T), C ) \ oclose( fv(G), C )
158
159 That is, quantify over all variable that that MIGHT be fixed by the
160 call site (which influences T), but which aren't DEFINITELY fixed by
161 G.  This choice definitely quantifies over enough type variables,
162 albeit perhaps too many.
163
164 Why grow( fv(T), C ) rather than fv(T)?  Consider
165
166         class H x y | x->y where ...
167
168         T = c->c
169         C = (H c d)
170
171   If we used fv(T) = {c} we'd get the type
172
173         forall c. H c d => c -> b
174
175   And then if the fn was called at several different c's, each of
176   which fixed d differently, we'd get a unification error, because
177   d isn't quantified.  Solution: quantify d.  So we must quantify
178   everything that might be influenced by c.
179
180 Why not oclose( fv(T), C )?  Because we might not be able to see
181 all the functional dependencies yet:
182
183         class H x y | x->y where ...
184         instance H x y => Eq (T x y) where ...
185
186         T = c->c
187         C = (Eq (T c d))
188
189   Now oclose(fv(T),C) = {c}, because the functional dependency isn't
190   apparent yet, and that's wrong.  We must really quantify over d too.
191
192
193 There really isn't any point in quantifying over any more than
194 grow( fv(T), C ), because the call sites can't possibly influence
195 any other type variables.
196
197
198
199         --------------------------------------
200                 Notes on ambiguity
201         --------------------------------------
202
203 It's very hard to be certain when a type is ambiguous.  Consider
204
205         class K x
206         class H x y | x -> y
207         instance H x y => K (x,y)
208
209 Is this type ambiguous?
210         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
211
212 Looks like it!  But if we simplify (K (a,b)) we get (H a b) and
213 now we see that a fixes b.  So we can't tell about ambiguity for sure
214 without doing a full simplification.  And even that isn't possible if
215 the context has some free vars that may get unified.  Urgle!
216
217 Here's another example: is this ambiguous?
218         forall a b. Eq (T b) => a -> a
219 Not if there's an insance decl (with no context)
220         instance Eq (T b) where ...
221
222 You may say of this example that we should use the instance decl right
223 away, but you can't always do that:
224
225         class J a b where ...
226         instance J Int b where ...
227
228         f :: forall a b. J a b => a -> a
229
230 (Notice: no functional dependency in J's class decl.)
231 Here f's type is perfectly fine, provided f is only called at Int.
232 It's premature to complain when meeting f's signature, or even
233 when inferring a type for f.
234
235
236
237 However, we don't *need* to report ambiguity right away.  It'll always
238 show up at the call site.... and eventually at main, which needs special
239 treatment.  Nevertheless, reporting ambiguity promptly is an excellent thing.
240
241 So here's the plan.  We WARN about probable ambiguity if
242
243         fv(Cq) is not a subset of  oclose(fv(T) union fv(G), C)
244
245 (all tested before quantification).
246 That is, all the type variables in Cq must be fixed by the the variables
247 in the environment, or by the variables in the type.
248
249 Notice that we union before calling oclose.  Here's an example:
250
251         class J a b c | a b -> c
252         fv(G) = {a}
253
254 Is this ambiguous?
255         forall b c. (J a b c) => b -> b
256
257 Only if we union {a} from G with {b} from T before using oclose,
258 do we see that c is fixed.
259
260 It's a bit vague exactly which C we should use for this oclose call.  If we
261 don't fix enough variables we might complain when we shouldn't (see
262 the above nasty example).  Nothing will be perfect.  That's why we can
263 only issue a warning.
264
265
266 Can we ever be *certain* about ambiguity?  Yes: if there's a constraint
267
268         c in C such that fv(c) intersect (fv(G) union fv(T)) = EMPTY
269
270 then c is a "bubble"; there's no way it can ever improve, and it's
271 certainly ambiguous.  UNLESS it is a constant (sigh).  And what about
272 the nasty example?
273
274         class K x
275         class H x y | x -> y
276         instance H x y => K (x,y)
277
278 Is this type ambiguous?
279         forall a b. (K (a,b), Eq b) => a -> a
280
281 Urk.  The (Eq b) looks "definitely ambiguous" but it isn't.  What we are after
282 is a "bubble" that's a set of constraints
283
284         Cq = Ca union Cq'  st  fv(Ca) intersect (fv(Cq') union fv(T) union fv(G)) = EMPTY
285
286 Hence another idea.  To decide Q start with fv(T) and grow it
287 by transitive closure in Cq (no functional dependencies involved).
288 Now partition Cq using Q, leaving the definitely-ambiguous and probably-ok.
289 The definitely-ambiguous can then float out, and get smashed at top level
290 (which squashes out the constants, like Eq (T a) above)
291
292
293         --------------------------------------
294                 Notes on principal types
295         --------------------------------------
296
297     class C a where
298       op :: a -> a
299
300     f x = let g y = op (y::Int) in True
301
302 Here the principal type of f is (forall a. a->a)
303 but we'll produce the non-principal type
304     f :: forall a. C Int => a -> a
305
306
307         --------------------------------------
308                 Notes on implicit parameters
309         --------------------------------------
310
311 Question 1: can we "inherit" implicit parameters
312 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
313 Consider this:
314
315         f x = (x::Int) + ?y
316
317 where f is *not* a top-level binding.
318 From the RHS of f we'll get the constraint (?y::Int).
319 There are two types we might infer for f:
320
321         f :: Int -> Int
322
323 (so we get ?y from the context of f's definition), or
324
325         f :: (?y::Int) => Int -> Int
326
327 At first you might think the first was better, becuase then
328 ?y behaves like a free variable of the definition, rather than
329 having to be passed at each call site.  But of course, the WHOLE
330 IDEA is that ?y should be passed at each call site (that's what
331 dynamic binding means) so we'd better infer the second.
332
333 BOTTOM LINE: when *inferring types* you *must* quantify 
334 over implicit parameters. See the predicate isFreeWhenInferring.
335
336
337 Question 2: type signatures
338 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
339 BUT WATCH OUT: When you supply a type signature, we can't force you
340 to quantify over implicit parameters.  For example:
341
342         (?x + 1) :: Int
343
344 This is perfectly reasonable.  We do not want to insist on
345
346         (?x + 1) :: (?x::Int => Int)
347
348 That would be silly.  Here, the definition site *is* the occurrence site,
349 so the above strictures don't apply.  Hence the difference between
350 tcSimplifyCheck (which *does* allow implicit paramters to be inherited)
351 and tcSimplifyCheckBind (which does not).
352
353 What about when you supply a type signature for a binding?
354 Is it legal to give the following explicit, user type 
355 signature to f, thus:
356
357         f :: Int -> Int
358         f x = (x::Int) + ?y
359
360 At first sight this seems reasonable, but it has the nasty property
361 that adding a type signature changes the dynamic semantics.
362 Consider this:
363
364         (let f x = (x::Int) + ?y
365          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
366
367                 returns (3+6, 3+5)
368 vs
369         (let f :: Int -> Int
370              f x = x + ?y
371          in (f 3, f 3 with ?y=5))  with ?y = 6
372
373                 returns (3+6, 3+6)
374
375 Indeed, simply inlining f (at the Haskell source level) would change the
376 dynamic semantics.
377
378 Nevertheless, as Launchbury says (email Oct 01) we can't really give the
379 semantics for a Haskell program without knowing its typing, so if you 
380 change the typing you may change the semantics.
381
382 To make things consistent in all cases where we are *checking* against
383 a supplied signature (as opposed to inferring a type), we adopt the
384 rule: 
385
386         a signature does not need to quantify over implicit params.
387
388 [This represents a (rather marginal) change of policy since GHC 5.02,
389 which *required* an explicit signature to quantify over all implicit
390 params for the reasons mentioned above.]
391
392 But that raises a new question.  Consider 
393
394         Given (signature)       ?x::Int
395         Wanted (inferred)       ?x::Int, ?y::Bool
396
397 Clearly we want to discharge the ?x and float the ?y out.  But
398 what is the criterion that distinguishes them?  Clearly it isn't
399 what free type variables they have.  The Right Thing seems to be
400 to float a constraint that
401         neither mentions any of the quantified type variables
402         nor any of the quantified implicit parameters
403
404 See the predicate isFreeWhenChecking.
405
406
407 Question 3: monomorphism
408 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
409 There's a nasty corner case when the monomorphism restriction bites:
410
411         z = (x::Int) + ?y
412
413 The argument above suggests that we *must* generalise
414 over the ?y parameter, to get
415         z :: (?y::Int) => Int,
416 but the monomorphism restriction says that we *must not*, giving
417         z :: Int.
418 Why does the momomorphism restriction say this?  Because if you have
419
420         let z = x + ?y in z+z
421
422 you might not expect the addition to be done twice --- but it will if
423 we follow the argument of Question 2 and generalise over ?y.
424
425
426
427 Possible choices
428 ~~~~~~~~~~~~~~~~
429 (A) Always generalise over implicit parameters
430     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
431         be generalised
432
433     Consequences:
434         * Inlining remains valid
435         * No unexpected loss of sharing
436         * But simple bindings like
437                 z = ?y + 1
438           will be rejected, unless you add an explicit type signature
439           (to avoid the monomorphism restriction)
440                 z :: (?y::Int) => Int
441                 z = ?y + 1
442           This seems unacceptable
443
444 (B) Monomorphism restriction "wins"
445     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
446         be generalised
447     Always generalise over implicit parameters *except* for bindings
448         that fall under the monomorphism restriction
449
450     Consequences
451         * Inlining isn't valid in general
452         * No unexpected loss of sharing
453         * Simple bindings like
454                 z = ?y + 1
455           accepted (get value of ?y from binding site)
456
457 (C) Always generalise over implicit parameters
458     Bindings that fall under the monomorphism restriction can't
459         be generalised, EXCEPT for implicit parameters
460     Consequences
461         * Inlining remains valid
462         * Unexpected loss of sharing (from the extra generalisation)
463         * Simple bindings like
464                 z = ?y + 1
465           accepted (get value of ?y from occurrence sites)
466
467
468 Discussion
469 ~~~~~~~~~~
470 None of these choices seems very satisfactory.  But at least we should
471 decide which we want to do.
472
473 It's really not clear what is the Right Thing To Do.  If you see
474
475         z = (x::Int) + ?y
476
477 would you expect the value of ?y to be got from the *occurrence sites*
478 of 'z', or from the valuue of ?y at the *definition* of 'z'?  In the
479 case of function definitions, the answer is clearly the former, but
480 less so in the case of non-fucntion definitions.   On the other hand,
481 if we say that we get the value of ?y from the definition site of 'z',
482 then inlining 'z' might change the semantics of the program.
483
484 Choice (C) really says "the monomorphism restriction doesn't apply
485 to implicit parameters".  Which is fine, but remember that every
486 innocent binding 'x = ...' that mentions an implicit parameter in
487 the RHS becomes a *function* of that parameter, called at each
488 use of 'x'.  Now, the chances are that there are no intervening 'with'
489 clauses that bind ?y, so a decent compiler should common up all
490 those function calls.  So I think I strongly favour (C).  Indeed,
491 one could make a similar argument for abolishing the monomorphism
492 restriction altogether.
493
494 BOTTOM LINE: we choose (B) at present.  See tcSimplifyRestricted
495
496
497
498 %************************************************************************
499 %*                                                                      *
500 \subsection{tcSimplifyInfer}
501 %*                                                                      *
502 %************************************************************************
503
504 tcSimplify is called when we *inferring* a type.  Here's the overall game plan:
505
506     1. Compute Q = grow( fvs(T), C )
507
508     2. Partition C based on Q into Ct and Cq.  Notice that ambiguous
509        predicates will end up in Ct; we deal with them at the top level
510
511     3. Try improvement, using functional dependencies
512
513     4. If Step 3 did any unification, repeat from step 1
514        (Unification can change the result of 'grow'.)
515
516 Note: we don't reduce dictionaries in step 2.  For example, if we have
517 Eq (a,b), we don't simplify to (Eq a, Eq b).  So Q won't be different
518 after step 2.  However note that we may therefore quantify over more
519 type variables than we absolutely have to.
520
521 For the guts, we need a loop, that alternates context reduction and
522 improvement with unification.  E.g. Suppose we have
523
524         class C x y | x->y where ...
525
526 and tcSimplify is called with:
527         (C Int a, C Int b)
528 Then improvement unifies a with b, giving
529         (C Int a, C Int a)
530
531 If we need to unify anything, we rattle round the whole thing all over
532 again.
533
534
535 \begin{code}
536 tcSimplifyInfer
537         :: SDoc
538         -> TcTyVarSet           -- fv(T); type vars
539         -> [Inst]               -- Wanted
540         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
541                 TcDictBinds,    -- Bindings
542                 [TcId])         -- Dict Ids that must be bound here (zonked)
543         -- Any free (escaping) Insts are tossed into the environment
544 \end{code}
545
546
547 \begin{code}
548 tcSimplifyInfer doc tau_tvs wanted_lie
549   = inferLoop doc (varSetElems tau_tvs)
550               wanted_lie                `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
551
552         -- Check for non-generalisable insts
553     mappM_ addCantGenErr (filter (not . instCanBeGeneralised) irreds)   `thenM_`
554
555     extendLIEs frees                                                    `thenM_`
556     returnM (qtvs, binds, map instToId irreds)
557
558 inferLoop doc tau_tvs wanteds
559   =     -- Step 1
560     zonkTcTyVarsAndFV tau_tvs           `thenM` \ tau_tvs' ->
561     mappM zonkInst wanteds              `thenM` \ wanteds' ->
562     tcGetGlobalTyVars                   `thenM` \ gbl_tvs ->
563     let
564         preds = fdPredsOfInsts wanteds'
565         qtvs  = grow preds tau_tvs' `minusVarSet` oclose preds gbl_tvs
566
567         try_me inst
568           | isFreeWhenInferring qtvs inst = Free
569           | isClassDict inst              = DontReduceUnlessConstant    -- Dicts
570           | otherwise                     = ReduceMe                    -- Lits and Methods
571     in
572     traceTc (text "infloop" <+> vcat [ppr tau_tvs', ppr wanteds', ppr preds, ppr (grow preds tau_tvs'), ppr qtvs])      `thenM_`
573                 -- Step 2
574     reduceContext doc try_me [] wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
575
576                 -- Step 3
577     if no_improvement then
578         returnM (varSetElems qtvs, frees, binds, irreds)
579     else
580         -- If improvement did some unification, we go round again.  There
581         -- are two subtleties:
582         --   a) We start again with irreds, not wanteds
583         --      Using an instance decl might have introduced a fresh type variable
584         --      which might have been unified, so we'd get an infinite loop
585         --      if we started again with wanteds!  See example [LOOP]
586         --
587         --   b) It's also essential to re-process frees, because unification
588         --      might mean that a type variable that looked free isn't now.
589         --
590         -- Hence the (irreds ++ frees)
591
592         -- However, NOTICE that when we are done, we might have some bindings, but
593         -- the final qtvs might be empty.  See [NO TYVARS] below.
594                                 
595         inferLoop doc tau_tvs (irreds ++ frees) `thenM` \ (qtvs1, frees1, binds1, irreds1) ->
596         returnM (qtvs1, frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
597 \end{code}
598
599 Example [LOOP]
600
601         class If b t e r | b t e -> r
602         instance If T t e t
603         instance If F t e e
604         class Lte a b c | a b -> c where lte :: a -> b -> c
605         instance Lte Z b T
606         instance (Lte a b l,If l b a c) => Max a b c
607
608 Wanted: Max Z (S x) y
609
610 Then we'll reduce using the Max instance to:
611         (Lte Z (S x) l, If l (S x) Z y)
612 and improve by binding l->T, after which we can do some reduction
613 on both the Lte and If constraints.  What we *can't* do is start again
614 with (Max Z (S x) y)!
615
616 [NO TYVARS]
617
618         class Y a b | a -> b where
619             y :: a -> X b
620         
621         instance Y [[a]] a where
622             y ((x:_):_) = X x
623         
624         k :: X a -> X a -> X a
625
626         g :: Num a => [X a] -> [X a]
627         g xs = h xs
628             where
629             h ys = ys ++ map (k (y [[0]])) xs
630
631 The excitement comes when simplifying the bindings for h.  Initially
632 try to simplify {y @ [[t1]] t2, 0 @ t1}, with initial qtvs = {t2}.
633 From this we get t1:=:t2, but also various bindings.  We can't forget
634 the bindings (because of [LOOP]), but in fact t1 is what g is
635 polymorphic in.  
636
637 The net effect of [NO TYVARS] 
638
639 \begin{code}
640 isFreeWhenInferring :: TyVarSet -> Inst -> Bool
641 isFreeWhenInferring qtvs inst
642   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst          -- Constrains no quantified vars
643   && isInheritableInst inst             -- And no implicit parameter involved
644                                         -- (see "Notes on implicit parameters")
645
646 isFreeWhenChecking :: TyVarSet  -- Quantified tyvars
647                    -> NameSet   -- Quantified implicit parameters
648                    -> Inst -> Bool
649 isFreeWhenChecking qtvs ips inst
650   =  isFreeWrtTyVars qtvs inst
651   && isFreeWrtIPs    ips inst
652
653 isFreeWrtTyVars qtvs inst = not (tyVarsOfInst inst `intersectsVarSet` qtvs)
654 isFreeWrtIPs     ips inst = not (any (`elemNameSet` ips) (ipNamesOfInst inst))
655 \end{code}
656
657
658 %************************************************************************
659 %*                                                                      *
660 \subsection{tcSimplifyCheck}
661 %*                                                                      *
662 %************************************************************************
663
664 @tcSimplifyCheck@ is used when we know exactly the set of variables
665 we are going to quantify over.  For example, a class or instance declaration.
666
667 \begin{code}
668 tcSimplifyCheck
669          :: SDoc
670          -> [TcTyVar]           -- Quantify over these
671          -> [Inst]              -- Given
672          -> [Inst]              -- Wanted
673          -> TcM TcDictBinds     -- Bindings
674
675 -- tcSimplifyCheck is used when checking expression type signatures,
676 -- class decls, instance decls etc.
677 --
678 -- NB: tcSimplifyCheck does not consult the
679 --      global type variables in the environment; so you don't
680 --      need to worry about setting them before calling tcSimplifyCheck
681 tcSimplifyCheck doc qtvs givens wanted_lie
682   = tcSimplCheck doc get_qtvs
683                  givens wanted_lie      `thenM` \ (qtvs', binds) ->
684     returnM binds
685   where
686     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV qtvs
687
688
689 -- tcSimplifyInferCheck is used when we know the constraints we are to simplify
690 -- against, but we don't know the type variables over which we are going to quantify.
691 -- This happens when we have a type signature for a mutually recursive group
692 tcSimplifyInferCheck
693          :: SDoc
694          -> TcTyVarSet          -- fv(T)
695          -> [Inst]              -- Given
696          -> [Inst]              -- Wanted
697          -> TcM ([TcTyVar],     -- Variables over which to quantify
698                  TcDictBinds)   -- Bindings
699
700 tcSimplifyInferCheck doc tau_tvs givens wanted_lie
701   = tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
702   where
703         -- Figure out which type variables to quantify over
704         -- You might think it should just be the signature tyvars,
705         -- but in bizarre cases you can get extra ones
706         --      f :: forall a. Num a => a -> a
707         --      f x = fst (g (x, head [])) + 1
708         --      g a b = (b,a)
709         -- Here we infer g :: forall a b. a -> b -> (b,a)
710         -- We don't want g to be monomorphic in b just because
711         -- f isn't quantified over b.
712     all_tvs = varSetElems (tau_tvs `unionVarSet` tyVarsOfInsts givens)
713
714     get_qtvs = zonkTcTyVarsAndFV all_tvs        `thenM` \ all_tvs' ->
715                tcGetGlobalTyVars                `thenM` \ gbl_tvs ->
716                let
717                   qtvs = all_tvs' `minusVarSet` gbl_tvs
718                         -- We could close gbl_tvs, but its not necessary for
719                         -- soundness, and it'll only affect which tyvars, not which
720                         -- dictionaries, we quantify over
721                in
722                returnM qtvs
723 \end{code}
724
725 Here is the workhorse function for all three wrappers.
726
727 \begin{code}
728 tcSimplCheck doc get_qtvs givens wanted_lie
729   = check_loop givens wanted_lie        `thenM` \ (qtvs, frees, binds, irreds) ->
730
731         -- Complain about any irreducible ones
732     complainCheck doc givens irreds             `thenM_`
733
734         -- Done
735     extendLIEs frees                            `thenM_`
736     returnM (qtvs, binds)
737
738   where
739     ip_set = mkNameSet (ipNamesOfInsts givens)
740
741     check_loop givens wanteds
742       =         -- Step 1
743         mappM zonkInst givens   `thenM` \ givens' ->
744         mappM zonkInst wanteds  `thenM` \ wanteds' ->
745         get_qtvs                `thenM` \ qtvs' ->
746
747                     -- Step 2
748         let
749             -- When checking against a given signature we always reduce
750             -- until we find a match against something given, or can't reduce
751             try_me inst | isFreeWhenChecking qtvs' ip_set inst = Free
752                         | otherwise                            = ReduceMe
753         in
754         reduceContext doc try_me givens' wanteds'       `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
755
756                     -- Step 3
757         if no_improvement then
758             returnM (varSetElems qtvs', frees, binds, irreds)
759         else
760             check_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (qtvs', frees1, binds1, irreds1) ->
761             returnM (qtvs', frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
762 \end{code}
763
764
765 %************************************************************************
766 %*                                                                      *
767 \subsection{tcSimplifyRestricted}
768 %*                                                                      *
769 %************************************************************************
770
771 \begin{code}
772 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
773                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
774         :: SDoc
775         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
776         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
777         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
778                 TcDictBinds)    -- Bindings
779
780 tcSimplifyRestricted doc tau_tvs wanteds
781   =     -- First squash out all methods, to find the constrained tyvars
782         -- We can't just take the free vars of wanted_lie because that'll
783         -- have methods that may incidentally mention entirely unconstrained variables
784         --      e.g. a call to  f :: Eq a => a -> b -> b
785         -- Here, b is unconstrained.  A good example would be
786         --      foo = f (3::Int)
787         -- We want to infer the polymorphic type
788         --      foo :: forall b. b -> b
789
790         -- 'reduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
791         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
792         -- variables as possible, and we don't want to stop
793         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
794         -- immediately, with no constraint on s.
795     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (foo_frees, foo_binds, constrained_dicts) ->
796
797         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
798     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)     `thenM` \ tau_tvs' ->
799     tcGetGlobalTyVars                           `thenM` \ gbl_tvs ->
800     let
801         constrained_tvs = tyVarsOfInsts constrained_dicts
802         qtvs = (tau_tvs' `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts constrained_dicts) gbl_tvs)
803                          `minusVarSet` constrained_tvs
804     in
805     traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
806                 pprInsts wanteds, pprInsts foo_frees, pprInsts constrained_dicts,
807                 ppr foo_binds,
808                 ppr constrained_tvs, ppr tau_tvs', ppr qtvs ])  `thenM_`
809
810         -- The first step may have squashed more methods than
811         -- necessary, so try again, this time knowing the exact
812         -- set of type variables to quantify over.
813         --
814         -- We quantify only over constraints that are captured by qtvs;
815         -- these will just be a subset of non-dicts.  This in contrast
816         -- to normal inference (using isFreeWhenInferring) in which we quantify over
817         -- all *non-inheritable* constraints too.  This implements choice
818         -- (B) under "implicit parameter and monomorphism" above.
819         --
820         -- Remember that we may need to do *some* simplification, to
821         -- (for example) squash {Monad (ST s)} into {}.  It's not enough
822         -- just to float all constraints
823     restrict_loop doc qtvs wanteds
824         -- We still need a loop because improvement can take place
825         -- E.g. if we have (C (T a)) and the instance decl
826         --      instance D Int b => C (T a) where ...
827         -- and there's a functional dependency for D.   Then we may improve
828         -- the tyep variable 'b'.
829
830 restrict_loop doc qtvs wanteds
831   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
832     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems qtvs)        `thenM` \ qtvs' ->
833     let
834         try_me inst | isFreeWrtTyVars qtvs' inst = Free
835                     | otherwise                  = ReduceMe
836     in
837     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
838     if no_improvement then
839         ASSERT( null irreds )
840         extendLIEs frees                        `thenM_`
841         returnM (varSetElems qtvs', binds)
842     else
843         restrict_loop doc qtvs' (irreds ++ frees)       `thenM` \ (qtvs1, binds1) ->
844         returnM (qtvs1, binds `AndMonoBinds` binds1)
845 \end{code}
846
847
848 %************************************************************************
849 %*                                                                      *
850 \subsection{tcSimplifyToDicts}
851 %*                                                                      *
852 %************************************************************************
853
854 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
855 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
856 as the available stuff for the RHS of the rule.
857
858 The same thing is used for specialise pragmas. Consider
859
860         f :: Num a => a -> a
861         {-# SPECIALISE f :: Int -> Int #-}
862         f = ...
863
864 The type checker generates a binding like:
865
866         f_spec = (f :: Int -> Int)
867
868 and we want to end up with
869
870         f_spec = _inline_me_ (f Int dNumInt)
871
872 But that means that we must simplify the Method for f to (f Int dNumInt)!
873 So tcSimplifyToDicts squeezes out all Methods.
874
875 IMPORTANT NOTE:  we *don't* want to do superclass commoning up.  Consider
876
877         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
878         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
879
880 Here, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But we *dont*
881 want to get
882
883         forall dIntegralInt.
884         fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
885
886 because the scsel will mess up matching.  Instead we want
887
888         forall dIntegralInt, dNumInt.
889         fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
890
891 Hence "DontReduce NoSCs"
892
893 \begin{code}
894 tcSimplifyToDicts :: [Inst] -> TcM (TcDictBinds)
895 tcSimplifyToDicts wanteds
896   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
897         -- Since try_me doesn't look at types, we don't need to
898         -- do any zonking, so it's safe to call reduceContext directly
899     ASSERT( null frees )
900     extendLIEs irreds           `thenM_`
901     returnM binds
902
903   where
904     doc = text "tcSimplifyToDicts"
905
906         -- Reduce methods and lits only; stop as soon as we get a dictionary
907     try_me inst | isDict inst = DontReduce NoSCs
908                 | otherwise   = ReduceMe
909 \end{code}
910
911
912
913 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
914 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
915 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
916 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
917 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
918 this bracket again at its usage site.
919
920 \begin{code}
921 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
922 tcSimplifyBracket wanteds
923   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM_`
924     returnM ()
925   where
926     doc = text "tcSimplifyBracket"
927 \end{code}
928
929
930 %************************************************************************
931 %*                                                                      *
932 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
933 %*                                                                      *
934 %************************************************************************
935
936 When we have
937         let ?x = R in B
938
939 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
940 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
941
942 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
943
944         f :: (?x::Int) => Char -> Char
945         let ?x = 3 in f 'c'
946
947 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
948 force the binding for ?x to be of type Int.
949
950 \begin{code}
951 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
952               -> [Inst]         -- Wanted
953               -> TcM TcDictBinds
954 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
955   = simpl_loop given_ips wanteds        `thenM` \ (frees, binds) ->
956     extendLIEs frees                    `thenM_`
957     returnM binds
958   where
959     doc      = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
960     ip_set   = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
961
962         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
963     try_me inst | isFreeWrtIPs ip_set inst = Free
964                 | otherwise                = ReduceMe
965
966     simpl_loop givens wanteds
967       = mappM zonkInst givens           `thenM` \ givens' ->
968         mappM zonkInst wanteds          `thenM` \ wanteds' ->
969
970         reduceContext doc try_me givens' wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
971
972         if no_improvement then
973             ASSERT( null irreds )
974             returnM (frees, binds)
975         else
976             simpl_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (frees1, binds1) ->
977             returnM (frees1, binds `AndMonoBinds` binds1)
978 \end{code}
979
980
981 %************************************************************************
982 %*                                                                      *
983 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
984 %*                                                                      *
985 %************************************************************************
986
987 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
988 For example, we might have...
989 \begin{verbatim}
990 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
991     f.1 = f Int     -- two instances of f
992     f.2 = f Float
993  in
994     (f.1 5, f.2 6.7)
995 \end{verbatim}
996 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
997 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
998 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
999 there, they would have unresolvable references to @f@.
1000
1001 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1002 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1003 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1004 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1005
1006 \begin{code}
1007 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM TcMonoBinds
1008
1009 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1010   | null overloaded_ids
1011         -- Common case
1012   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1013     returnM EmptyMonoBinds
1014
1015   | otherwise
1016   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1017     ASSERT( null irreds )
1018     extendLIEs frees            `thenM_`
1019     returnM binds
1020   where
1021     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1022     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1023     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1024
1025     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1026                                                 -- so it's worth building a set, so that
1027                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1028
1029     try_me inst | isMethodFor overloaded_set inst = ReduceMe
1030                 | otherwise                       = Free
1031 \end{code}
1032
1033
1034 %************************************************************************
1035 %*                                                                      *
1036 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1037 %*                                                                      *
1038 %************************************************************************
1039
1040 The main control over context reduction is here
1041
1042 \begin{code}
1043 data WhatToDo
1044  = ReduceMe             -- Try to reduce this
1045                         -- If there's no instance, behave exactly like
1046                         -- DontReduce: add the inst to
1047                         -- the irreductible ones, but don't
1048                         -- produce an error message of any kind.
1049                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1050
1051  | DontReduce WantSCs           -- Return as irreducible
1052
1053  | DontReduceUnlessConstant     -- Return as irreducible unless it can
1054                                 -- be reduced to a constant in one step
1055
1056  | Free                   -- Return as free
1057
1058 reduceMe :: Inst -> WhatToDo
1059 reduceMe inst = ReduceMe
1060
1061 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1062                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1063 \end{code}
1064
1065
1066
1067 \begin{code}
1068 type Avails = FiniteMap Inst Avail
1069
1070 data Avail
1071   = IsFree              -- Used for free Insts
1072   | Irred               -- Used for irreducible dictionaries,
1073                         -- which are going to be lambda bound
1074
1075   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
1076                         -- e.g. those "given" in a signature
1077           Bool          -- True <=> actually consumed (splittable IPs only)
1078
1079   | NoRhs               -- Used for Insts like (CCallable f)
1080                         -- where no witness is required.
1081
1082   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
1083         TcExpr          -- The RHS
1084         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
1085
1086   | Linear              -- Splittable Insts only.
1087         Int             -- The Int is always 2 or more; indicates how
1088                         -- many copies are required
1089         Inst            -- The splitter
1090         Avail           -- Where the "master copy" is
1091
1092   | LinRhss             -- Splittable Insts only; this is used only internally
1093                         --      by extractResults, where a Linear 
1094                         --      is turned into an LinRhss
1095         [TcExpr]        -- A supply of suitable RHSs
1096
1097 pprAvails avails = vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> pprAvail avail)]
1098                         | (inst,avail) <- fmToList avails ]
1099
1100 instance Outputable Avail where
1101     ppr = pprAvail
1102
1103 pprAvail NoRhs          = text "<no rhs>"
1104 pprAvail IsFree         = text "Free"
1105 pprAvail Irred          = text "Irred"
1106 pprAvail (Given x b)    = text "Given" <+> ppr x <+> 
1107                           if b then text "(used)" else empty
1108 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> ppr rhs <+> braces (ppr bs)
1109 pprAvail (Linear n i a) = text "Linear" <+> ppr n <+> braces (ppr i) <+> ppr a
1110 pprAvail (LinRhss rhss) = text "LinRhss" <+> ppr rhss
1111 \end{code}
1112
1113 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
1114 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
1115 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
1116 dependency analyser can sort them out later
1117
1118 The loop startes
1119 \begin{code}
1120 extractResults :: Avails
1121                -> [Inst]                -- Wanted
1122                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
1123                           [Inst],       -- Irreducible ones
1124                           [Inst])       -- Free ones
1125
1126 extractResults avails wanteds
1127   = go avails EmptyMonoBinds [] [] wanteds
1128   where
1129     go avails binds irreds frees [] 
1130       = returnM (binds, irreds, frees)
1131
1132     go avails binds irreds frees (w:ws)
1133       = case lookupFM avails w of
1134           Nothing    -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
1135                         go avails binds irreds frees ws
1136
1137           Just NoRhs  -> go avails               binds irreds     frees     ws
1138           Just IsFree -> go (add_free avails w)  binds irreds     (w:frees) ws
1139           Just Irred  -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) frees     ws
1140
1141           Just (Given id _) -> go avails new_binds irreds frees ws
1142                             where
1143                                new_binds | id == instToId w = binds
1144                                          | otherwise        = addBind binds w (HsVar id)
1145                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
1146                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
1147
1148           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds frees (ws' ++ ws)
1149                              where
1150                                 new_binds = addBind binds w rhs
1151
1152           Just (Linear n split_inst avail)      -- Transform Linear --> LinRhss
1153             -> get_root irreds frees avail w            `thenM` \ (irreds', frees', root_id) ->
1154                split n (instToId split_inst) root_id w  `thenM` \ (binds', rhss) ->
1155                go (addToFM avails w (LinRhss rhss))
1156                   (binds `AndMonoBinds` binds')
1157                   irreds' frees' (split_inst : w : ws)
1158
1159           Just (LinRhss (rhs:rhss))             -- Consume one of the Rhss
1160                 -> go new_avails new_binds irreds frees ws
1161                 where           
1162                    new_binds  = addBind binds w rhs
1163                    new_avails = addToFM avails w (LinRhss rhss)
1164
1165     get_root irreds frees (Given id _) w = returnM (irreds, frees, id)
1166     get_root irreds frees Irred        w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1167                                            returnM (w':irreds, frees, instToId w')
1168     get_root irreds frees IsFree       w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1169                                            returnM (irreds, w':frees, instToId w')
1170
1171     add_given avails w 
1172         | instBindingRequired w = addToFM avails w (Given (instToId w) True)
1173         | otherwise             = addToFM avails w NoRhs
1174         -- NB: make sure that CCallable/CReturnable use NoRhs rather
1175         --      than Given, else we end up with bogus bindings.
1176
1177     add_free avails w | isMethod w = avails
1178                       | otherwise  = add_given avails w
1179         -- NB: Hack alert!  
1180         -- Do *not* replace Free by Given if it's a method.
1181         -- The following situation shows why this is bad:
1182         --      truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
1183         -- From an application (truncate f i) we get
1184         --      t1 = truncate at f
1185         --      t2 = t1 at i
1186         -- If we have also have a second occurrence of truncate, we get
1187         --      t3 = truncate at f
1188         --      t4 = t3 at i
1189         -- When simplifying with i,f free, we might still notice that
1190         --   t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
1191         --   will continue to float out!
1192         -- (split n i a) returns: n rhss
1193         --                        auxiliary bindings
1194         --                        1 or 0 insts to add to irreds
1195
1196
1197 split :: Int -> TcId -> TcId -> Inst 
1198       -> TcM (TcDictBinds, [TcExpr])
1199 -- (split n split_id root_id wanted) returns
1200 --      * a list of 'n' expressions, all of which witness 'avail'
1201 --      * a bunch of auxiliary bindings to support these expressions
1202 --      * one or zero insts needed to witness the whole lot
1203 --        (maybe be zero if the initial Inst is a Given)
1204 --
1205 -- NB: 'wanted' is just a template
1206
1207 split n split_id root_id wanted
1208   = go n
1209   where
1210     ty      = linearInstType wanted
1211     pair_ty = mkTyConApp pairTyCon [ty,ty]
1212     id      = instToId wanted
1213     occ     = getOccName id
1214     loc     = getSrcLoc id
1215
1216     go 1 = returnM (EmptyMonoBinds, [HsVar root_id])
1217
1218     go n = go ((n+1) `div` 2)           `thenM` \ (binds1, rhss) ->
1219            expand n rhss                `thenM` \ (binds2, rhss') ->
1220            returnM (binds1 `AndMonoBinds` binds2, rhss')
1221
1222         -- (expand n rhss) 
1223         -- Given ((n+1)/2) rhss, make n rhss, using auxiliary bindings
1224         --  e.g.  expand 3 [rhs1, rhs2]
1225         --        = ( { x = split rhs1 },
1226         --            [fst x, snd x, rhs2] )
1227     expand n rhss
1228         | n `rem` 2 == 0 = go rhss      -- n is even
1229         | otherwise      = go (tail rhss)       `thenM` \ (binds', rhss') ->
1230                            returnM (binds', head rhss : rhss')
1231         where
1232           go rhss = mapAndUnzipM do_one rhss    `thenM` \ (binds', rhss') ->
1233                     returnM (andMonoBindList binds', concat rhss')
1234
1235           do_one rhs = newUnique                        `thenM` \ uniq -> 
1236                        tcLookupId fstName               `thenM` \ fst_id ->
1237                        tcLookupId sndName               `thenM` \ snd_id ->
1238                        let 
1239                           x = mkUserLocal occ uniq pair_ty loc
1240                        in
1241                        returnM (VarMonoBind x (mk_app split_id rhs),
1242                                     [mk_fs_app fst_id ty x, mk_fs_app snd_id ty x])
1243
1244 mk_fs_app id ty var = HsVar id `TyApp` [ty,ty] `HsApp` HsVar var
1245
1246 mk_app id rhs = HsApp (HsVar id) rhs
1247
1248 addBind binds inst rhs = binds `AndMonoBinds` VarMonoBind (instToId inst) rhs
1249 \end{code}
1250
1251
1252 %************************************************************************
1253 %*                                                                      *
1254 \subsection[reduce]{@reduce@}
1255 %*                                                                      *
1256 %************************************************************************
1257
1258 When the "what to do" predicate doesn't depend on the quantified type variables,
1259 matters are easier.  We don't need to do any zonking, unless the improvement step
1260 does something, in which case we zonk before iterating.
1261
1262 The "given" set is always empty.
1263
1264 \begin{code}
1265 simpleReduceLoop :: SDoc
1266                  -> (Inst -> WhatToDo)          -- What to do, *not* based on the quantified type variables
1267                  -> [Inst]                      -- Wanted
1268                  -> TcM ([Inst],                -- Free
1269                          TcDictBinds,
1270                          [Inst])                -- Irreducible
1271
1272 simpleReduceLoop doc try_me wanteds
1273   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
1274     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1275     if no_improvement then
1276         returnM (frees, binds, irreds)
1277     else
1278         simpleReduceLoop doc try_me (irreds ++ frees)   `thenM` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
1279         returnM (frees1, binds `AndMonoBinds` binds1, irreds1)
1280 \end{code}
1281
1282
1283
1284 \begin{code}
1285 reduceContext :: SDoc
1286               -> (Inst -> WhatToDo)
1287               -> [Inst]                 -- Given
1288               -> [Inst]                 -- Wanted
1289               -> TcM (Bool,             -- True <=> improve step did no unification
1290                          [Inst],        -- Free
1291                          TcDictBinds,   -- Dictionary bindings
1292                          [Inst])        -- Irreducible
1293
1294 reduceContext doc try_me givens wanteds
1295   =
1296     traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1297              text "----------------------",
1298              doc,
1299              text "given" <+> ppr givens,
1300              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1301              text "----------------------"
1302              ]))                                        `thenM_`
1303
1304         -- Build the Avail mapping from "givens"
1305     foldlM addGiven emptyFM givens                      `thenM` \ init_state ->
1306
1307         -- Do the real work
1308     reduceList (0,[]) try_me wanteds init_state         `thenM` \ avails ->
1309
1310         -- Do improvement, using everything in avails
1311         -- In particular, avails includes all superclasses of everything
1312     tcImprove avails                                    `thenM` \ no_improvement ->
1313
1314     extractResults avails wanteds                       `thenM` \ (binds, irreds, frees) ->
1315
1316     traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1317              text "----------------------",
1318              doc,
1319              text "given" <+> ppr givens,
1320              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1321              text "----",
1322              text "avails" <+> pprAvails avails,
1323              text "frees" <+> ppr frees,
1324              text "no_improvement =" <+> ppr no_improvement,
1325              text "----------------------"
1326              ]))                                        `thenM_`
1327
1328     returnM (no_improvement, frees, binds, irreds)
1329
1330 tcImprove avails
1331  =  tcGetInstEnv                                `thenM` \ inst_env ->
1332     let
1333         preds = [ (pred, pp_loc)
1334                 | inst <- keysFM avails,
1335                   let pp_loc = pprInstLoc (instLoc inst),
1336                   pred <- fdPredsOfInst inst
1337                 ]
1338                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1339                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1340                 -- It does not have duplicates (good)
1341                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1342                 --    so that improve will see them separate
1343         eqns  = improve (classInstEnv inst_env) preds
1344      in
1345      if null eqns then
1346         returnM True
1347      else
1348         traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))     `thenM_`
1349         mappM_ unify eqns       `thenM_`
1350         returnM False
1351   where
1352     unify ((qtvs, t1, t2), doc)
1353          = addErrCtxt doc                               $
1354            tcInstTyVars VanillaTv (varSetElems qtvs)    `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1355            unifyTauTy (substTy tenv t1) (substTy tenv t2)
1356 \end{code}
1357
1358 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1359
1360 \begin{code}
1361 reduceList :: (Int,[Inst])              -- Stack (for err msgs)
1362                                         -- along with its depth
1363            -> (Inst -> WhatToDo)
1364            -> [Inst]
1365            -> Avails
1366            -> TcM Avails
1367 \end{code}
1368
1369 @reduce@ is passed
1370      try_me:    given an inst, this function returns
1371                   Reduce       reduce this
1372                   DontReduce   return this in "irreds"
1373                   Free         return this in "frees"
1374
1375      wanteds:   The list of insts to reduce
1376      state:     An accumulating parameter of type Avails
1377                 that contains the state of the algorithm
1378
1379   It returns a Avails.
1380
1381 The (n,stack) pair is just used for error reporting.
1382 n is always the depth of the stack.
1383 The stack is the stack of Insts being reduced: to produce X
1384 I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1385
1386 \begin{code}
1387 reduceList (n,stack) try_me wanteds state
1388   | n > opt_MaxContextReductionDepth
1389   = failWithTc (reduceDepthErr n stack)
1390
1391   | otherwise
1392   =
1393 #ifdef DEBUG
1394    (if n > 8 then
1395         pprTrace "Jeepers! ReduceContext:" (reduceDepthMsg n stack)
1396     else (\x->x))
1397 #endif
1398     go wanteds state
1399   where
1400     go []     state = returnM state
1401     go (w:ws) state = reduce (n+1, w:stack) try_me w state      `thenM` \ state' ->
1402                       go ws state'
1403
1404     -- Base case: we're done!
1405 reduce stack try_me wanted state
1406     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1407   | Just avail <- isAvailable state wanted
1408   = if isLinearInst wanted then
1409         addLinearAvailable state avail wanted   `thenM` \ (state', wanteds') ->
1410         reduceList stack try_me wanteds' state'
1411     else
1412         returnM state           -- No op for non-linear things
1413
1414   | otherwise
1415   = case try_me wanted of {
1416
1417       DontReduce want_scs -> addIrred want_scs state wanted
1418
1419     ; DontReduceUnlessConstant ->    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
1420                                      -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1421         try_simple (addIrred AddSCs)    -- Assume want superclasses
1422
1423     ; Free ->   -- It's free so just chuck it upstairs
1424                 -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1425         try_simple addFree
1426
1427     ; ReduceMe ->               -- It should be reduced
1428         lookupInst wanted             `thenM` \ lookup_result ->
1429         case lookup_result of
1430             GenInst wanteds' rhs -> reduceList stack try_me wanteds' state      `thenM` \ state' ->
1431                                     addWanted state' wanted rhs wanteds'
1432             SimpleInst rhs       -> addWanted state wanted rhs []
1433
1434             NoInstance ->    -- No such instance!
1435                              -- Add it and its superclasses
1436                              addIrred AddSCs state wanted
1437
1438     }
1439   where
1440     try_simple do_this_otherwise
1441       = lookupInst wanted         `thenM` \ lookup_result ->
1442         case lookup_result of
1443             SimpleInst rhs -> addWanted state wanted rhs []
1444             other          -> do_this_otherwise state wanted
1445 \end{code}
1446
1447
1448 \begin{code}
1449 -------------------------
1450 isAvailable :: Avails -> Inst -> Maybe Avail
1451 isAvailable avails wanted = lookupFM avails wanted
1452         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
1453         -- *not* by unique.  So
1454         --      d1::C Int ==  d2::C Int
1455
1456 addLinearAvailable :: Avails -> Avail -> Inst -> TcM (Avails, [Inst])
1457 addLinearAvailable avails avail wanted
1458         -- avails currently maps [wanted -> avail]
1459         -- Extend avails to reflect a neeed for an extra copy of avail
1460
1461   | Just avail' <- split_avail avail
1462   = returnM (addToFM avails wanted avail', [])
1463
1464   | otherwise
1465   = tcLookupId splitName                        `thenM` \ split_id ->
1466     tcInstClassOp (instLoc wanted) split_id 
1467                   [linearInstType wanted]       `thenM` \ split_inst ->
1468     returnM (addToFM avails wanted (Linear 2 split_inst avail), [split_inst])
1469
1470   where
1471     split_avail :: Avail -> Maybe Avail
1472         -- (Just av) if there's a modified version of avail that
1473         --           we can use to replace avail in avails
1474         -- Nothing   if there isn't, so we need to create a Linear
1475     split_avail (Linear n i a)              = Just (Linear (n+1) i a)
1476     split_avail (Given id used) | not used  = Just (Given id True)
1477                                 | otherwise = Nothing
1478     split_avail Irred                       = Nothing
1479     split_avail IsFree                      = Nothing
1480     split_avail other = pprPanic "addLinearAvailable" (ppr avail $$ ppr wanted $$ ppr avails)
1481                   
1482 -------------------------
1483 addFree :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1484         -- When an Inst is tossed upstairs as 'free' we nevertheless add it
1485         -- to avails, so that any other equal Insts will be commoned up right
1486         -- here rather than also being tossed upstairs.  This is really just
1487         -- an optimisation, and perhaps it is more trouble that it is worth,
1488         -- as the following comments show!
1489         --
1490         -- NB: do *not* add superclasses.  If we have
1491         --      df::Floating a
1492         --      dn::Num a
1493         -- but a is not bound here, then we *don't* want to derive
1494         -- dn from df here lest we lose sharing.
1495         --
1496 addFree avails free = returnM (addToFM avails free IsFree)
1497
1498 addWanted :: Avails -> Inst -> TcExpr -> [Inst] -> TcM Avails
1499 addWanted avails wanted rhs_expr wanteds
1500   = ASSERT2( not (wanted `elemFM` avails), ppr wanted $$ ppr avails )
1501     addAvailAndSCs avails wanted avail
1502   where
1503     avail | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr wanteds
1504           | otherwise                  = ASSERT( null wanteds ) NoRhs
1505
1506 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1507 addGiven state given = addAvailAndSCs state given (Given (instToId given) False)
1508         -- No ASSERT( not (given `elemFM` avails) ) because in an instance
1509         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
1510         -- so the assert isn't true
1511
1512 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1513 addIrred NoSCs  avails irred = returnM (addToFM avails irred Irred)
1514 addIrred AddSCs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemFM` avails), ppr irred $$ ppr avails )
1515                                addAvailAndSCs avails irred Irred
1516
1517 addAvailAndSCs :: Avails -> Inst -> Avail -> TcM Avails
1518 addAvailAndSCs avails inst avail
1519   | not (isClassDict inst) = returnM avails1
1520   | otherwise              = addSCs is_loop avails1 inst 
1521   where
1522     avails1 = addToFM avails inst avail
1523     is_loop inst = inst `elem` deps     -- Note: this compares by *type*, not by Unique
1524     deps         = findAllDeps avails avail
1525
1526 findAllDeps :: Avails -> Avail -> [Inst]
1527 -- Find all the Insts that this one depends on
1528 -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1529 findAllDeps avails (Rhs _ kids) = kids ++ concat (map (find_all_deps_help avails) kids)
1530 findAllDeps avails other        = []
1531
1532 find_all_deps_help :: Avails -> Inst -> [Inst]
1533 find_all_deps_help avails inst
1534   = case lookupFM avails inst of
1535         Just avail -> findAllDeps avails avail
1536         Nothing    -> []
1537
1538 addSCs :: (Inst -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1539         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
1540         -- The first param says "dont do this because the original thing
1541         --      depends on this one, so you'd build a loop"
1542         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
1543
1544 addSCs is_loop avails dict
1545   = newDictsFromOld dict sc_theta'      `thenM` \ sc_dicts ->
1546     foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels)
1547   where
1548     (clas, tys) = getDictClassTys dict
1549     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
1550     sc_theta' = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta
1551
1552     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)     -- Add it, and its superclasses
1553       = case lookupFM avails sc_dict of
1554           Just (Given _ _) -> returnM avails    -- Given is cheaper than
1555                                                         --   a superclass selection
1556           Just other | is_loop sc_dict -> returnM avails        -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1557                      | otherwise       -> returnM avails'       -- SCs already added
1558
1559           Nothing -> addSCs is_loop avails' sc_dict
1560       where
1561         sc_sel_rhs = DictApp (TyApp (HsVar sc_sel) tys) [instToId dict]
1562         avail      = Rhs sc_sel_rhs [dict]
1563         avails'    = addToFM avails sc_dict avail
1564 \end{code}
1565
1566 Note [SUPERCLASS-LOOP]: Checking for loops
1567 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1568 We have to be careful here.  If we are *given* d1:Ord a,
1569 and want to deduce (d2:C [a]) where
1570
1571         class Ord a => C a where
1572         instance Ord a => C [a] where ...
1573
1574 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] and then add the
1575 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1576 for d1:Ord a (which is given) with a superclass selection or we'll just
1577 build a loop! 
1578
1579 Here's another example 
1580         class Eq b => Foo a b
1581         instance Eq a => Foo [a] a
1582 If we are reducing
1583         (Foo [t] t)
1584
1585 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1586 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1587
1588 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1589 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1590 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1591 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1592 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Irred
1593 first time, but reducible next time.
1594
1595 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1596 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1597
1598
1599
1600 %************************************************************************
1601 %*                                                                      *
1602 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
1603 %*                                                                      *
1604 %************************************************************************
1605
1606
1607 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
1608 and ambiguous Insts.
1609
1610 We need to be careful of one case.  Suppose we have
1611
1612         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
1613
1614 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
1615 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
1616
1617 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
1618
1619
1620 \begin{code}
1621 tcSimplifyTop :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
1622 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
1623 -- error message generation for the monomorphism restriction
1624 tcSimplifyTop wanteds
1625   = getLclEnv                                                   `thenM` \ lcl_env ->
1626     traceTc (text "tcSimplifyTop" <+> ppr (lclEnvElts lcl_env)) `thenM_`
1627     simpleReduceLoop (text "tcSimplTop") reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1628     ASSERT( null frees )
1629
1630     let
1631                 -- All the non-std ones are definite errors
1632         (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
1633
1634                 -- Group by type variable
1635         std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
1636
1637                 -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
1638                 -- namely, the onese whose type variable isn't bound
1639                 -- up with one of the non-standard classes
1640         (std_oks, std_bads)     = partition worth_a_try std_groups
1641         worth_a_try group@(d:_) = not (non_std_tyvars `intersectsVarSet` tyVarsOfInst d)
1642         non_std_tyvars          = unionVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
1643
1644                 -- Collect together all the bad guys
1645         bad_guys               = non_stds ++ concat std_bads
1646         (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts bad_guys
1647         (bad_ips, non_ips)     = partition isIPDict tidy_dicts
1648         (no_insts, ambigs)     = partition no_inst non_ips
1649         no_inst d = not (isTyVarDict d) || tyVarsOfInst d `subVarSet` fixed_tvs
1650         fixed_tvs = oclose (fdPredsOfInsts tidy_dicts) emptyVarSet
1651     in
1652
1653         -- Report definite errors
1654     addTopInstanceErrs tidy_env no_insts        `thenM_`
1655     addTopIPErrs tidy_env bad_ips               `thenM_`
1656
1657         -- Deal with ambiguity errors, but only if
1658         -- if there has not been an error so far; errors often
1659         -- give rise to spurious ambiguous Insts
1660     ifErrsM (returnM []) (
1661         
1662         -- Complain about the ones that don't fall under
1663         -- the Haskell rules for disambiguation
1664         -- This group includes both non-existent instances
1665         --      e.g. Num (IO a) and Eq (Int -> Int)
1666         -- and ambiguous dictionaries
1667         --      e.g. Num a
1668         addTopAmbigErrs (tidy_env, ambigs)      `thenM_`
1669
1670         -- Disambiguate the ones that look feasible
1671         mappM disambigGroup std_oks
1672     )                                   `thenM` \ binds_ambig ->
1673
1674     returnM (binds `andMonoBinds` andMonoBindList binds_ambig)
1675
1676 ----------------------------------
1677 d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
1678
1679 get_tv d   = case getDictClassTys d of
1680                    (clas, [ty]) -> tcGetTyVar "tcSimplify" ty
1681 get_clas d = case getDictClassTys d of
1682                    (clas, [ty]) -> clas
1683 \end{code}
1684
1685 If a dictionary constrains a type variable which is
1686         * not mentioned in the environment
1687         * and not mentioned in the type of the expression
1688 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
1689 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
1690 parameter to a function.
1691
1692 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
1693 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
1694 Specifically, if
1695         * at least one of its classes is a numeric class, and
1696         * all of its classes are numeric or standard
1697 then the type variable can be defaulted to the first type in the
1698 default-type list which is an instance of all the offending classes.
1699
1700 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
1701 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
1702 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
1703 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
1704
1705 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
1706 the same type variable.
1707
1708 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
1709 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
1710 the most common use of defaulting is code like:
1711 \begin{verbatim}
1712         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
1713 \end{verbatim}
1714 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
1715 @void@.
1716
1717 \begin{code}
1718 disambigGroup :: [Inst] -- All standard classes of form (C a)
1719               -> TcM TcDictBinds
1720
1721 disambigGroup dicts
1722   |   any isNumericClass classes        -- Guaranteed all standard classes
1723           -- see comment at the end of function for reasons as to
1724           -- why the defaulting mechanism doesn't apply to groups that
1725           -- include CCallable or CReturnable dicts.
1726    && not (any isCcallishClass classes)
1727   =     -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
1728         -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
1729
1730         -- Failure here is caused by there being no type in the
1731         -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
1732         -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
1733         -- default list is Int.
1734     getDefaultTys                       `thenM` \ default_tys ->
1735     let
1736       try_default []    -- No defaults work, so fail
1737         = failM
1738
1739       try_default (default_ty : default_tys)
1740         = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $ -- If default_ty fails, we try
1741                                                 -- default_tys instead
1742           tcSimplifyDefault theta               `thenM` \ _ ->
1743           returnM default_ty
1744         where
1745           theta = [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
1746     in
1747         -- See if any default works
1748     tryM (try_default default_tys)      `thenM` \ mb_ty ->
1749     case mb_ty of {
1750         Left _ ->       -- If not, add an AmbigErr
1751                   addTopAmbigErrs (tidyInsts dicts)     `thenM_`
1752                   returnM EmptyMonoBinds ;
1753
1754         Right chosen_default_ty ->
1755
1756         -- If so, bind the type variable 
1757         -- and reduce the context, for real this time
1758     unifyTauTy chosen_default_ty (mkTyVarTy tyvar)      `thenM_`
1759     simpleReduceLoop (text "disambig" <+> ppr dicts)
1760                      reduceMe dicts                     `thenM` \ (frees, binds, ambigs) ->
1761     WARN( not (null frees && null ambigs), ppr frees $$ ppr ambigs )
1762     warnDefault dicts chosen_default_ty                 `thenM_`
1763     returnM binds }
1764
1765   | all isCreturnableClass classes
1766   =     -- Default CCall stuff to (); we don't even both to check that () is an
1767         -- instance of CReturnable, because we know it is.
1768     unifyTauTy (mkTyVarTy tyvar) unitTy `thenM_`
1769     returnM EmptyMonoBinds
1770
1771   | otherwise -- No defaults
1772   = addTopAmbigErrs (tidyInsts dicts)   `thenM_`
1773     returnM EmptyMonoBinds
1774
1775   where
1776     tyvar       = get_tv (head dicts)           -- Should be non-empty
1777     classes     = map get_clas dicts
1778 \end{code}
1779
1780 [Aside - why the defaulting mechanism is turned off when
1781  dealing with arguments and results to ccalls.
1782
1783 When typechecking _ccall_s, TcExpr ensures that the external
1784 function is only passed arguments (and in the other direction,
1785 results) of a restricted set of 'native' types. This is
1786 implemented via the help of the pseudo-type classes,
1787 @CReturnable@ (CR) and @CCallable@ (CC.)
1788
1789 The interaction between the defaulting mechanism for numeric
1790 values and CC & CR can be a bit puzzling to the user at times.
1791 For example,
1792
1793     x <- _ccall_ f
1794     if (x /= 0) then
1795        _ccall_ g x
1796      else
1797        return ()
1798
1799 What type has 'x' got here? That depends on the default list
1800 in operation, if it is equal to Haskell 98's default-default
1801 of (Integer, Double), 'x' has type Double, since Integer
1802 is not an instance of CR. If the default list is equal to
1803 Haskell 1.4's default-default of (Int, Double), 'x' has type
1804 Int.
1805
1806 To try to minimise the potential for surprises here, the
1807 defaulting mechanism is turned off in the presence of
1808 CCallable and CReturnable.
1809
1810 End of aside]
1811
1812
1813 %************************************************************************
1814 %*                                                                      *
1815 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
1816 %*                                                                      *
1817 %************************************************************************
1818
1819 Much simpler versions when there are no bindings to make!
1820
1821 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
1822 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
1823 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
1824
1825 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
1826 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
1827 instance declarations.
1828
1829 \begin{code}
1830 tcSimplifyDeriv :: [TyVar]      
1831                 -> ThetaType            -- Wanted
1832                 -> TcM ThetaType        -- Needed
1833
1834 tcSimplifyDeriv tyvars theta
1835   = tcInstTyVars VanillaTv tyvars                       `thenM` \ (tvs, _, tenv) ->
1836         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
1837         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
1838         -- ToDo: what if two of them do get unified?
1839     newDicts DataDeclOrigin (substTheta tenv theta)     `thenM` \ wanteds ->
1840     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds               `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
1841     ASSERT( null frees )                        -- reduceMe never returns Free
1842
1843     doptM Opt_AllowUndecidableInstances         `thenM` \ undecidable_ok ->
1844     let
1845         tv_set      = mkVarSet tvs
1846         simpl_theta = map dictPred irreds       -- reduceMe squashes all non-dicts
1847
1848         check_pred pred
1849           | isEmptyVarSet pred_tyvars   -- Things like (Eq T) should be rejected
1850           = addErrTc (noInstErr pred)
1851
1852           | not undecidable_ok && not (isTyVarClassPred pred)
1853           -- Check that the returned dictionaries are all of form (C a b)
1854           --    (where a, b are type variables).  
1855           -- We allow this if we had -fallow-undecidable-instances,
1856           -- but note that risks non-termination in the 'deriving' context-inference
1857           -- fixpoint loop.   It is useful for situations like
1858           --    data Min h a = E | M a (h a)
1859           -- which gives the instance decl
1860           --    instance (Eq a, Eq (h a)) => Eq (Min h a)
1861           = addErrTc (noInstErr pred)
1862   
1863           | not (pred_tyvars `subVarSet` tv_set) 
1864           -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
1865           -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
1866           -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
1867           -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
1868           -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
1869           = addErrTc (badDerivedPred pred)
1870   
1871           | otherwise
1872           = returnM ()
1873           where
1874             pred_tyvars = tyVarsOfPred pred
1875
1876         rev_env = mkTopTyVarSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
1877                 -- This reverse-mapping is a Royal Pain, 
1878                 -- but the result should mention TyVars not TcTyVars
1879     in
1880    
1881     mappM check_pred simpl_theta                `thenM_`
1882     checkAmbiguity tvs simpl_theta tv_set       `thenM_`
1883     returnM (substTheta rev_env simpl_theta)
1884   where
1885     doc    = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
1886 \end{code}
1887
1888 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
1889 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
1890 whether it worked or not.
1891
1892 \begin{code}
1893 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
1894                   -> TcM ()
1895
1896 tcSimplifyDefault theta
1897   = newDicts DataDeclOrigin theta               `thenM` \ wanteds ->
1898     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
1899     ASSERT( null frees )        -- try_me never returns Free
1900     mappM (addErrTc . noInstErr) irreds         `thenM_`
1901     if null irreds then
1902         returnM ()
1903     else
1904         failM
1905   where
1906     doc = ptext SLIT("default declaration")
1907 \end{code}
1908
1909
1910 %************************************************************************
1911 %*                                                                      *
1912 \section{Errors and contexts}
1913 %*                                                                      *
1914 %************************************************************************
1915
1916 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
1917 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
1918 now?
1919
1920 \begin{code}
1921 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
1922           -> [Inst]             -- The offending Insts
1923           -> TcM ()
1924 -- Group together insts with the same origin
1925 -- We want to report them together in error messages
1926
1927 groupErrs report_err [] 
1928   = returnM ()
1929 groupErrs report_err (inst:insts) 
1930   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
1931     groupErrs report_err others
1932
1933   where
1934         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
1935         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
1936         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
1937    (friends, others) = partition is_friend insts
1938    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
1939    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
1940    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
1941                 -- Add location and context information derived from the Insts
1942
1943 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
1944 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
1945 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstLoc (instLoc (head insts)))
1946
1947 plural [x] = empty
1948 plural xs  = char 's'
1949
1950
1951 addTopIPErrs tidy_env tidy_dicts
1952   = groupErrs report tidy_dicts
1953   where
1954     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
1955     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
1956                                      plural tidy_dicts <+> pprInsts tidy_dicts)
1957
1958 -- Used for top-level irreducibles
1959 addTopInstanceErrs tidy_env tidy_dicts
1960   = groupErrs report tidy_dicts
1961   where
1962     report dicts = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts     `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
1963                    addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts $$ mono_msg)
1964     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("No instance") <> plural tidy_dicts <+> 
1965                                      ptext SLIT("for") <+> pprInsts tidy_dicts)
1966                    
1967
1968 addTopAmbigErrs (tidy_env, tidy_dicts)
1969 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
1970   = mapM report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
1971   where
1972     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
1973     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
1974     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
1975     
1976     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
1977     report pairs@((_,tvs) : _)  -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
1978         = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts      `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
1979           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
1980         where
1981           dicts = map fst pairs
1982           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
1983                              pprQuotedList tvs <+> in_msg,
1984                      nest 2 (pprInstsInFull dicts)]
1985           in_msg | isSingleton dicts = text "in the top-level constraint:"
1986                  | otherwise         = text "in these top-level constraints:"
1987
1988
1989 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [Inst] -> TcM (TidyEnv, Message)
1990 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
1991 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
1992 -- Try to identify the offending variable
1993 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
1994 mkMonomorphismMsg tidy_env insts
1995   | isEmptyVarSet inst_tvs
1996   = returnM (tidy_env, empty)
1997   | otherwise
1998   = findGlobals inst_tvs tidy_env       `thenM` \ (tidy_env, docs) ->
1999     returnM (tidy_env, mk_msg docs)
2000
2001   where
2002     inst_tvs = tyVarsOfInsts insts
2003
2004     mk_msg []   = empty         -- This happens in things like
2005                                 --      f x = show (read "foo")
2006                                 -- whre monomorphism doesn't play any role
2007     mk_msg docs = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
2008                         nest 2 (vcat docs),
2009                         ptext SLIT("Probable fix: give these definition(s) an explicit type signature")]
2010     
2011 warnDefault dicts default_ty
2012   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
2013     addInstCtxt (instLoc (head dicts)) (warnTc warn_flag warn_msg)
2014   where
2015         -- Tidy them first
2016     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2017     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
2018                                 quotes (ppr default_ty),
2019                       pprInstsInFull tidy_dicts]
2020
2021 complainCheck doc givens irreds
2022   = mappM zonkInst given_dicts_and_ips                  `thenM` \ givens' ->
2023     groupErrs (addNoInstanceErrs doc givens') irreds    `thenM_`
2024     returnM ()
2025   where
2026     given_dicts_and_ips = filter (not . isMethod) givens
2027         -- Filter out methods, which are only added to
2028         -- the given set as an optimisation
2029
2030 addNoInstanceErrs what_doc givens dicts
2031   = getDOpts            `thenM` \ dflags ->
2032     tcGetInstEnv        `thenM` \ inst_env ->
2033     let
2034         (tidy_env1, tidy_givens) = tidyInsts givens
2035         (tidy_env2, tidy_dicts)  = tidyMoreInsts tidy_env1 dicts
2036
2037         doc = vcat [addInstLoc dicts $
2038                     sep [herald <+> pprInsts tidy_dicts,
2039                          nest 4 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprInsts tidy_givens],
2040                     ambig_doc,
2041                     ptext SLIT("Probable fix:"),
2042                     nest 4 fix1,
2043                     nest 4 fix2]
2044
2045         herald = ptext SLIT("Could not") <+> unambig_doc <+> ptext SLIT("deduce")
2046         unambig_doc | ambig_overlap = ptext SLIT("unambiguously")
2047                     | otherwise     = empty
2048
2049                 -- The error message when we don't find a suitable instance
2050                 -- is complicated by the fact that sometimes this is because
2051                 -- there is no instance, and sometimes it's because there are
2052                 -- too many instances (overlap).  See the comments in TcEnv.lhs
2053                 -- with the InstEnv stuff.
2054
2055         ambig_doc
2056             | not ambig_overlap = empty
2057             | otherwise
2058             = vcat [ptext SLIT("The choice of (overlapping) instance declaration"),
2059                     nest 4 (ptext SLIT("depends on the instantiation of") <+>
2060                             quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInsts tidy_dicts))))]
2061
2062         fix1 = sep [ptext SLIT("Add") <+> pprInsts tidy_dicts,
2063                     ptext SLIT("to the") <+> what_doc]
2064
2065         fix2 | null instance_dicts 
2066              = empty
2067              | otherwise
2068              = ptext SLIT("Or add an instance declaration for") <+> pprInsts instance_dicts
2069
2070         instance_dicts = [d | d <- tidy_dicts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2071                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2072                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2073
2074             -- Checks for the ambiguous case when we have overlapping instances
2075         ambig_overlap = any ambig_overlap1 dicts
2076         ambig_overlap1 dict 
2077                 | isClassDict dict
2078                 = case lookupInstEnv dflags inst_env clas tys of
2079                             NoMatch ambig -> ambig
2080                             other         -> False
2081                 | otherwise = False
2082                 where
2083                   (clas,tys) = getDictClassTys dict
2084     in
2085     addErrTcM (tidy_env2, doc)
2086
2087 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
2088 noInstErr pred = ptext SLIT("No instance for") <+> quotes (ppr pred)
2089
2090 badDerivedPred pred
2091   = vcat [ptext SLIT("Can't derive instances where the instance context mentions"),
2092           ptext SLIT("type variables that are not data type parameters"),
2093           nest 2 (ptext SLIT("Offending constraint:") <+> ppr pred)]
2094
2095 reduceDepthErr n stack
2096   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
2097           ptext SLIT("Use -fcontext-stack20 to increase stack size to (e.g.) 20"),
2098           nest 4 (pprInstsInFull stack)]
2099
2100 reduceDepthMsg n stack = nest 4 (pprInstsInFull stack)
2101
2102 -----------------------------------------------
2103 addCantGenErr inst
2104   = addErrTc (sep [ptext SLIT("Cannot generalise these overloadings (in a _ccall_):"),
2105                    nest 4 (ppr inst <+> pprInstLoc (instLoc inst))])
2106 \end{code}