[project @ 2004-03-11 14:34:22 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, pprLHsBinds )
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, pprDictsInFull, tcGetInstEnvs,
39                           isIPDict, isInheritableInst, pprDFuns, pprDictsTheta
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, pprPred )
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 tcSimplifyRestricted infers which type variables to quantify for a 
859 group of restricted bindings.  This isn't trivial.
860
861 Eg1:    id = \x -> x
862         We want to quantify over a to get id :: forall a. a->a
863         
864 Eg2:    eq = (==)
865         We do not want to quantify over a, because there's an Eq a 
866         constraint, so we get eq :: a->a->Bool  (notice no forall)
867
868 So, assume:
869         RHS has type 'tau', whose free tyvars are tau_tvs
870         RHS has constraints 'wanteds'
871
872 Plan A (simple)
873   Quantify over (tau_tvs \ ftvs(wanteds))
874   This is bad. The constraints may contain (Monad (ST s))
875   where we have         instance Monad (ST s) where...
876   so there's no need to be monomorphic in s!
877
878   Also the constraint might be a method constraint,
879   whose type mentions a perfectly innocent tyvar:
880           op :: Num a => a -> b -> a
881   Here, b is unconstrained.  A good example would be
882         foo = op (3::Int)
883   We want to infer the polymorphic type
884         foo :: forall b. b -> b
885
886
887 Plan B (cunning, used for a long time up to and including GHC 6.2)
888   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
889   with Plan A's problem).  Then set
890         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
891
892   Step 2: Now simplify again, treating the constraint as 'free' if 
893   it does not mention qtvs, and trying to reduce it otherwise.
894   The reasons for this is to maximise sharing.
895
896   This fails for a very subtle reason.  Suppose that in the Step 2
897   a constraint (Foo (Succ Zero) (Succ Zero) b) gets thrown upstairs as 'free'.
898   In the Step 1 this constraint might have been simplified, perhaps to
899   (Foo Zero Zero b), AND THEN THAT MIGHT BE IMPROVED, to bind 'b' to 'T'.
900   This won't happen in Step 2... but that in turn might prevent some other
901   constraint mentioning 'b' from being simplified... and that in turn
902   breaks the invariant that no constraints are quantified over.
903
904   Test typecheck/should_compile/tc177 (which failed in GHC 6.2) demonstrates
905   the problem.
906
907
908 Plan C (brutal)
909   Step 1: Simplify the constraints as much as possible (to deal 
910   with Plan A's problem).  Then set
911         qtvs = tau_tvs \ ftvs( simplify( wanteds ) )
912   Return the bindings from Step 1.
913   
914
915
916 \begin{code}
917 tcSimplifyRestricted    -- Used for restricted binding groups
918                         -- i.e. ones subject to the monomorphism restriction
919         :: SDoc
920         -> TcTyVarSet           -- Free in the type of the RHSs
921         -> [Inst]               -- Free in the RHSs
922         -> TcM ([TcTyVar],      -- Tyvars to quantify (zonked)
923                 TcDictBinds)    -- Bindings
924         -- tcSimpifyRestricted returns no constraints to
925         -- quantify over; by definition there are none.
926         -- They are all thrown back in the LIE
927
928 tcSimplifyRestricted doc tau_tvs wanteds
929         -- 'reduceMe': Reduce as far as we can.  Don't stop at
930         -- dicts; the idea is to get rid of as many type
931         -- variables as possible, and we don't want to stop
932         -- at (say) Monad (ST s), because that reduces
933         -- immediately, with no constraint on s.
934   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
935     ASSERT( null frees )
936
937         -- Next, figure out the tyvars we will quantify over
938     zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems tau_tvs)     `thenM` \ tau_tvs' ->
939     tcGetGlobalTyVars                           `thenM` \ gbl_tvs ->
940     let
941         constrained_tvs = tyVarsOfInsts irreds
942         qtvs = (tau_tvs' `minusVarSet` constrained_tvs)
943                          `minusVarSet` oclose (fdPredsOfInsts irreds) gbl_tvs
944                 -- The second minusVarSet arranges not to quantify over
945                 -- any tyvars that are functionally determined by ones in
946                 -- the environment
947     in
948     traceTc (text "tcSimplifyRestricted" <+> vcat [
949                 pprInsts wanteds, pprInsts frees, pprInsts irreds,
950                 pprLHsBinds binds,
951                 ppr constrained_tvs, ppr tau_tvs', ppr qtvs ])  `thenM_`
952
953     extendLIEs irreds                                           `thenM_`
954     returnM (varSetElems qtvs, binds)
955 \end{code}
956
957
958 %************************************************************************
959 %*                                                                      *
960 \subsection{tcSimplifyToDicts}
961 %*                                                                      *
962 %************************************************************************
963
964 On the LHS of transformation rules we only simplify methods and constants,
965 getting dictionaries.  We want to keep all of them unsimplified, to serve
966 as the available stuff for the RHS of the rule.
967
968 The same thing is used for specialise pragmas. Consider
969
970         f :: Num a => a -> a
971         {-# SPECIALISE f :: Int -> Int #-}
972         f = ...
973
974 The type checker generates a binding like:
975
976         f_spec = (f :: Int -> Int)
977
978 and we want to end up with
979
980         f_spec = _inline_me_ (f Int dNumInt)
981
982 But that means that we must simplify the Method for f to (f Int dNumInt)!
983 So tcSimplifyToDicts squeezes out all Methods.
984
985 IMPORTANT NOTE:  we *don't* want to do superclass commoning up.  Consider
986
987         fromIntegral :: (Integral a, Num b) => a -> b
988         {-# RULES "foo"  fromIntegral = id :: Int -> Int #-}
989
990 Here, a=b=Int, and Num Int is a superclass of Integral Int. But we *dont*
991 want to get
992
993         forall dIntegralInt.
994         fromIntegral Int Int dIntegralInt (scsel dIntegralInt) = id Int
995
996 because the scsel will mess up matching.  Instead we want
997
998         forall dIntegralInt, dNumInt.
999         fromIntegral Int Int dIntegralInt dNumInt = id Int
1000
1001 Hence "DontReduce NoSCs"
1002
1003 \begin{code}
1004 tcSimplifyToDicts :: [Inst] -> TcM (TcDictBinds)
1005 tcSimplifyToDicts wanteds
1006   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1007         -- Since try_me doesn't look at types, we don't need to
1008         -- do any zonking, so it's safe to call reduceContext directly
1009     ASSERT( null frees )
1010     extendLIEs irreds           `thenM_`
1011     returnM binds
1012
1013   where
1014     doc = text "tcSimplifyToDicts"
1015
1016         -- Reduce methods and lits only; stop as soon as we get a dictionary
1017     try_me inst | isDict inst = DontReduce NoSCs        -- See notes above for why NoSCs
1018                 | otherwise   = ReduceMe
1019 \end{code}
1020
1021
1022
1023 tcSimplifyBracket is used when simplifying the constraints arising from
1024 a Template Haskell bracket [| ... |].  We want to check that there aren't
1025 any constraints that can't be satisfied (e.g. Show Foo, where Foo has no
1026 Show instance), but we aren't otherwise interested in the results.
1027 Nor do we care about ambiguous dictionaries etc.  We will type check
1028 this bracket again at its usage site.
1029
1030 \begin{code}
1031 tcSimplifyBracket :: [Inst] -> TcM ()
1032 tcSimplifyBracket wanteds
1033   = simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM_`
1034     returnM ()
1035   where
1036     doc = text "tcSimplifyBracket"
1037 \end{code}
1038
1039
1040 %************************************************************************
1041 %*                                                                      *
1042 \subsection{Filtering at a dynamic binding}
1043 %*                                                                      *
1044 %************************************************************************
1045
1046 When we have
1047         let ?x = R in B
1048
1049 we must discharge all the ?x constraints from B.  We also do an improvement
1050 step; if we have ?x::t1 and ?x::t2 we must unify t1, t2.
1051
1052 Actually, the constraints from B might improve the types in ?x. For example
1053
1054         f :: (?x::Int) => Char -> Char
1055         let ?x = 3 in f 'c'
1056
1057 then the constraint (?x::Int) arising from the call to f will
1058 force the binding for ?x to be of type Int.
1059
1060 \begin{code}
1061 tcSimplifyIPs :: [Inst]         -- The implicit parameters bound here
1062               -> [Inst]         -- Wanted
1063               -> TcM TcDictBinds
1064 tcSimplifyIPs given_ips wanteds
1065   = simpl_loop given_ips wanteds        `thenM` \ (frees, binds) ->
1066     extendLIEs frees                    `thenM_`
1067     returnM binds
1068   where
1069     doc      = text "tcSimplifyIPs" <+> ppr given_ips
1070     ip_set   = mkNameSet (ipNamesOfInsts given_ips)
1071
1072         -- Simplify any methods that mention the implicit parameter
1073     try_me inst | isFreeWrtIPs ip_set inst = Free
1074                 | otherwise                = ReduceMe
1075
1076     simpl_loop givens wanteds
1077       = mappM zonkInst givens           `thenM` \ givens' ->
1078         mappM zonkInst wanteds          `thenM` \ wanteds' ->
1079
1080         reduceContext doc try_me givens' wanteds'    `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1081
1082         if no_improvement then
1083             ASSERT( null irreds )
1084             returnM (frees, binds)
1085         else
1086             simpl_loop givens' (irreds ++ frees)        `thenM` \ (frees1, binds1) ->
1087             returnM (frees1, binds `unionBags` binds1)
1088 \end{code}
1089
1090
1091 %************************************************************************
1092 %*                                                                      *
1093 \subsection[binds-for-local-funs]{@bindInstsOfLocalFuns@}
1094 %*                                                                      *
1095 %************************************************************************
1096
1097 When doing a binding group, we may have @Insts@ of local functions.
1098 For example, we might have...
1099 \begin{verbatim}
1100 let f x = x + 1     -- orig local function (overloaded)
1101     f.1 = f Int     -- two instances of f
1102     f.2 = f Float
1103  in
1104     (f.1 5, f.2 6.7)
1105 \end{verbatim}
1106 The point is: we must drop the bindings for @f.1@ and @f.2@ here,
1107 where @f@ is in scope; those @Insts@ must certainly not be passed
1108 upwards towards the top-level.  If the @Insts@ were binding-ified up
1109 there, they would have unresolvable references to @f@.
1110
1111 We pass in an @init_lie@ of @Insts@ and a list of locally-bound @Ids@.
1112 For each method @Inst@ in the @init_lie@ that mentions one of the
1113 @Ids@, we create a binding.  We return the remaining @Insts@ (in an
1114 @LIE@), as well as the @HsBinds@ generated.
1115
1116 \begin{code}
1117 bindInstsOfLocalFuns :: [Inst] -> [TcId] -> TcM (LHsBinds TcId)
1118
1119 bindInstsOfLocalFuns wanteds local_ids
1120   | null overloaded_ids
1121         -- Common case
1122   = extendLIEs wanteds          `thenM_`
1123     returnM emptyBag
1124
1125   | otherwise
1126   = simpleReduceLoop doc try_me wanteds         `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1127     ASSERT( null irreds )
1128     extendLIEs frees            `thenM_`
1129     returnM binds
1130   where
1131     doc              = text "bindInsts" <+> ppr local_ids
1132     overloaded_ids   = filter is_overloaded local_ids
1133     is_overloaded id = isOverloadedTy (idType id)
1134
1135     overloaded_set = mkVarSet overloaded_ids    -- There can occasionally be a lot of them
1136                                                 -- so it's worth building a set, so that
1137                                                 -- lookup (in isMethodFor) is faster
1138
1139     try_me inst | isMethodFor overloaded_set inst = ReduceMe
1140                 | otherwise                       = Free
1141 \end{code}
1142
1143
1144 %************************************************************************
1145 %*                                                                      *
1146 \subsection{Data types for the reduction mechanism}
1147 %*                                                                      *
1148 %************************************************************************
1149
1150 The main control over context reduction is here
1151
1152 \begin{code}
1153 data WhatToDo
1154  = ReduceMe             -- Try to reduce this
1155                         -- If there's no instance, behave exactly like
1156                         -- DontReduce: add the inst to
1157                         -- the irreductible ones, but don't
1158                         -- produce an error message of any kind.
1159                         -- It might be quite legitimate such as (Eq a)!
1160
1161  | DontReduce WantSCs           -- Return as irreducible
1162
1163  | DontReduceUnlessConstant     -- Return as irreducible unless it can
1164                                 -- be reduced to a constant in one step
1165
1166  | Free                   -- Return as free
1167
1168 reduceMe :: Inst -> WhatToDo
1169 reduceMe inst = ReduceMe
1170
1171 data WantSCs = NoSCs | AddSCs   -- Tells whether we should add the superclasses
1172                                 -- of a predicate when adding it to the avails
1173 \end{code}
1174
1175
1176
1177 \begin{code}
1178 type Avails = FiniteMap Inst Avail
1179
1180 data Avail
1181   = IsFree              -- Used for free Insts
1182   | Irred               -- Used for irreducible dictionaries,
1183                         -- which are going to be lambda bound
1184
1185   | Given TcId          -- Used for dictionaries for which we have a binding
1186                         -- e.g. those "given" in a signature
1187           Bool          -- True <=> actually consumed (splittable IPs only)
1188
1189   | NoRhs               -- Used for Insts like (CCallable f)
1190                         -- where no witness is required.
1191                         -- ToDo: remove?
1192
1193   | Rhs                 -- Used when there is a RHS
1194         (LHsExpr TcId)  -- The RHS
1195         [Inst]          -- Insts free in the RHS; we need these too
1196
1197   | Linear              -- Splittable Insts only.
1198         Int             -- The Int is always 2 or more; indicates how
1199                         -- many copies are required
1200         Inst            -- The splitter
1201         Avail           -- Where the "master copy" is
1202
1203   | LinRhss             -- Splittable Insts only; this is used only internally
1204                         --      by extractResults, where a Linear 
1205                         --      is turned into an LinRhss
1206         [LHsExpr TcId]  -- A supply of suitable RHSs
1207
1208 pprAvails avails = vcat [sep [ppr inst, nest 2 (equals <+> pprAvail avail)]
1209                         | (inst,avail) <- fmToList avails ]
1210
1211 instance Outputable Avail where
1212     ppr = pprAvail
1213
1214 pprAvail NoRhs          = text "<no rhs>"
1215 pprAvail IsFree         = text "Free"
1216 pprAvail Irred          = text "Irred"
1217 pprAvail (Given x b)    = text "Given" <+> ppr x <+> 
1218                           if b then text "(used)" else empty
1219 pprAvail (Rhs rhs bs)   = text "Rhs" <+> ppr rhs <+> braces (ppr bs)
1220 pprAvail (Linear n i a) = text "Linear" <+> ppr n <+> braces (ppr i) <+> ppr a
1221 pprAvail (LinRhss rhss) = text "LinRhss" <+> ppr rhss
1222 \end{code}
1223
1224 Extracting the bindings from a bunch of Avails.
1225 The bindings do *not* come back sorted in dependency order.
1226 We assume that they'll be wrapped in a big Rec, so that the
1227 dependency analyser can sort them out later
1228
1229 The loop startes
1230 \begin{code}
1231 extractResults :: Avails
1232                -> [Inst]                -- Wanted
1233                -> TcM (TcDictBinds,     -- Bindings
1234                         [Inst],         -- Irreducible ones
1235                         [Inst])         -- Free ones
1236
1237 extractResults avails wanteds
1238   = go avails emptyBag [] [] wanteds
1239   where
1240     go avails binds irreds frees [] 
1241       = returnM (binds, irreds, frees)
1242
1243     go avails binds irreds frees (w:ws)
1244       = case lookupFM avails w of
1245           Nothing    -> pprTrace "Urk: extractResults" (ppr w) $
1246                         go avails binds irreds frees ws
1247
1248           Just NoRhs  -> go avails               binds irreds     frees     ws
1249           Just IsFree -> go (add_free avails w)  binds irreds     (w:frees) ws
1250           Just Irred  -> go (add_given avails w) binds (w:irreds) frees     ws
1251
1252           Just (Given id _) -> go avails new_binds irreds frees ws
1253                             where
1254                                new_binds | id == instToId w = binds
1255                                          | otherwise        = addBind binds w (L (instSpan w) (HsVar id))
1256                 -- The sought Id can be one of the givens, via a superclass chain
1257                 -- and then we definitely don't want to generate an x=x binding!
1258
1259           Just (Rhs rhs ws') -> go (add_given avails w) new_binds irreds frees (ws' ++ ws)
1260                              where
1261                                 new_binds = addBind binds w rhs
1262
1263           Just (Linear n split_inst avail)      -- Transform Linear --> LinRhss
1264             -> get_root irreds frees avail w            `thenM` \ (irreds', frees', root_id) ->
1265                split n (instToId split_inst) root_id w  `thenM` \ (binds', rhss) ->
1266                go (addToFM avails w (LinRhss rhss))
1267                   (binds `unionBags` binds')
1268                   irreds' frees' (split_inst : w : ws)
1269
1270           Just (LinRhss (rhs:rhss))             -- Consume one of the Rhss
1271                 -> go new_avails new_binds irreds frees ws
1272                 where           
1273                    new_binds  = addBind binds w rhs
1274                    new_avails = addToFM avails w (LinRhss rhss)
1275
1276     get_root irreds frees (Given id _) w = returnM (irreds, frees, id)
1277     get_root irreds frees Irred        w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1278                                            returnM (w':irreds, frees, instToId w')
1279     get_root irreds frees IsFree       w = cloneDict w  `thenM` \ w' ->
1280                                            returnM (irreds, w':frees, instToId w')
1281
1282     add_given avails w 
1283         | instBindingRequired w = addToFM avails w (Given (instToId w) True)
1284         | otherwise             = addToFM avails w NoRhs
1285         -- NB: make sure that CCallable/CReturnable use NoRhs rather
1286         --      than Given, else we end up with bogus bindings.
1287
1288     add_free avails w | isMethod w = avails
1289                       | otherwise  = add_given avails w
1290         -- NB: Hack alert!  
1291         -- Do *not* replace Free by Given if it's a method.
1292         -- The following situation shows why this is bad:
1293         --      truncate :: forall a. RealFrac a => forall b. Integral b => a -> b
1294         -- From an application (truncate f i) we get
1295         --      t1 = truncate at f
1296         --      t2 = t1 at i
1297         -- If we have also have a second occurrence of truncate, we get
1298         --      t3 = truncate at f
1299         --      t4 = t3 at i
1300         -- When simplifying with i,f free, we might still notice that
1301         --   t1=t3; but alas, the binding for t2 (which mentions t1)
1302         --   will continue to float out!
1303         -- (split n i a) returns: n rhss
1304         --                        auxiliary bindings
1305         --                        1 or 0 insts to add to irreds
1306
1307
1308 split :: Int -> TcId -> TcId -> Inst 
1309       -> TcM (TcDictBinds, [LHsExpr TcId])
1310 -- (split n split_id root_id wanted) returns
1311 --      * a list of 'n' expressions, all of which witness 'avail'
1312 --      * a bunch of auxiliary bindings to support these expressions
1313 --      * one or zero insts needed to witness the whole lot
1314 --        (maybe be zero if the initial Inst is a Given)
1315 --
1316 -- NB: 'wanted' is just a template
1317
1318 split n split_id root_id wanted
1319   = go n
1320   where
1321     ty      = linearInstType wanted
1322     pair_ty = mkTyConApp pairTyCon [ty,ty]
1323     id      = instToId wanted
1324     occ     = getOccName id
1325     loc     = getSrcLoc id
1326     span    = instSpan wanted
1327
1328     go 1 = returnM (emptyBag, [L span $ HsVar root_id])
1329
1330     go n = go ((n+1) `div` 2)           `thenM` \ (binds1, rhss) ->
1331            expand n rhss                `thenM` \ (binds2, rhss') ->
1332            returnM (binds1 `unionBags` binds2, rhss')
1333
1334         -- (expand n rhss) 
1335         -- Given ((n+1)/2) rhss, make n rhss, using auxiliary bindings
1336         --  e.g.  expand 3 [rhs1, rhs2]
1337         --        = ( { x = split rhs1 },
1338         --            [fst x, snd x, rhs2] )
1339     expand n rhss
1340         | n `rem` 2 == 0 = go rhss      -- n is even
1341         | otherwise      = go (tail rhss)       `thenM` \ (binds', rhss') ->
1342                            returnM (binds', head rhss : rhss')
1343         where
1344           go rhss = mapAndUnzipM do_one rhss    `thenM` \ (binds', rhss') ->
1345                     returnM (listToBag binds', concat rhss')
1346
1347           do_one rhs = newUnique                        `thenM` \ uniq -> 
1348                        tcLookupId fstName               `thenM` \ fst_id ->
1349                        tcLookupId sndName               `thenM` \ snd_id ->
1350                        let 
1351                           x = mkUserLocal occ uniq pair_ty loc
1352                        in
1353                        returnM (L span (VarBind x (mk_app span split_id rhs)),
1354                                 [mk_fs_app span fst_id ty x, mk_fs_app span snd_id ty x])
1355
1356 mk_fs_app span id ty var = L span (HsVar id) `mkHsTyApp` [ty,ty] `mkHsApp` (L span (HsVar var))
1357
1358 mk_app span id rhs = L span (HsApp (L span (HsVar id)) rhs)
1359
1360 addBind binds inst rhs = binds `unionBags` unitBag (L (instLocSrcSpan (instLoc inst)) 
1361                                                       (VarBind (instToId inst) rhs))
1362 instSpan wanted = instLocSrcSpan (instLoc wanted)
1363 \end{code}
1364
1365
1366 %************************************************************************
1367 %*                                                                      *
1368 \subsection[reduce]{@reduce@}
1369 %*                                                                      *
1370 %************************************************************************
1371
1372 When the "what to do" predicate doesn't depend on the quantified type variables,
1373 matters are easier.  We don't need to do any zonking, unless the improvement step
1374 does something, in which case we zonk before iterating.
1375
1376 The "given" set is always empty.
1377
1378 \begin{code}
1379 simpleReduceLoop :: SDoc
1380                  -> (Inst -> WhatToDo)          -- What to do, *not* based on the quantified type variables
1381                  -> [Inst]                      -- Wanted
1382                  -> TcM ([Inst],                -- Free
1383                          TcDictBinds,
1384                          [Inst])                -- Irreducible
1385
1386 simpleReduceLoop doc try_me wanteds
1387   = mappM zonkInst wanteds                      `thenM` \ wanteds' ->
1388     reduceContext doc try_me [] wanteds'        `thenM` \ (no_improvement, frees, binds, irreds) ->
1389     if no_improvement then
1390         returnM (frees, binds, irreds)
1391     else
1392         simpleReduceLoop doc try_me (irreds ++ frees)   `thenM` \ (frees1, binds1, irreds1) ->
1393         returnM (frees1, binds `unionBags` binds1, irreds1)
1394 \end{code}
1395
1396
1397
1398 \begin{code}
1399 reduceContext :: SDoc
1400               -> (Inst -> WhatToDo)
1401               -> [Inst]                 -- Given
1402               -> [Inst]                 -- Wanted
1403               -> TcM (Bool,             -- True <=> improve step did no unification
1404                          [Inst],        -- Free
1405                          TcDictBinds,   -- Dictionary bindings
1406                          [Inst])        -- Irreducible
1407
1408 reduceContext doc try_me givens wanteds
1409   =
1410     traceTc (text "reduceContext" <+> (vcat [
1411              text "----------------------",
1412              doc,
1413              text "given" <+> ppr givens,
1414              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1415              text "----------------------"
1416              ]))                                        `thenM_`
1417
1418         -- Build the Avail mapping from "givens"
1419     foldlM addGiven emptyFM givens                      `thenM` \ init_state ->
1420
1421         -- Do the real work
1422     reduceList (0,[]) try_me wanteds init_state         `thenM` \ avails ->
1423
1424         -- Do improvement, using everything in avails
1425         -- In particular, avails includes all superclasses of everything
1426     tcImprove avails                                    `thenM` \ no_improvement ->
1427
1428     extractResults avails wanteds                       `thenM` \ (binds, irreds, frees) ->
1429
1430     traceTc (text "reduceContext end" <+> (vcat [
1431              text "----------------------",
1432              doc,
1433              text "given" <+> ppr givens,
1434              text "wanted" <+> ppr wanteds,
1435              text "----",
1436              text "avails" <+> pprAvails avails,
1437              text "frees" <+> ppr frees,
1438              text "no_improvement =" <+> ppr no_improvement,
1439              text "----------------------"
1440              ]))                                        `thenM_`
1441
1442     returnM (no_improvement, frees, binds, irreds)
1443
1444 tcImprove :: Avails -> TcM Bool         -- False <=> no change
1445 -- Perform improvement using all the predicates in Avails
1446 tcImprove avails
1447  =  tcGetInstEnvs                       `thenM` \ (home_ie, pkg_ie) ->
1448     let
1449         preds = [ (pred, pp_loc)
1450                 | inst <- keysFM avails,
1451                   let pp_loc = pprInstLoc (instLoc inst),
1452                   pred <- fdPredsOfInst inst
1453                 ]
1454                 -- Avails has all the superclasses etc (good)
1455                 -- It also has all the intermediates of the deduction (good)
1456                 -- It does not have duplicates (good)
1457                 -- NB that (?x::t1) and (?x::t2) will be held separately in avails
1458                 --    so that improve will see them separate
1459         eqns = improve get_insts preds
1460         get_insts clas = classInstEnv home_ie clas ++ classInstEnv pkg_ie clas
1461      in
1462      if null eqns then
1463         returnM True
1464      else
1465         traceTc (ptext SLIT("Improve:") <+> vcat (map pprEquationDoc eqns))     `thenM_`
1466         mappM_ unify eqns       `thenM_`
1467         returnM False
1468   where
1469     unify ((qtvs, t1, t2), doc)
1470          = addErrCtxt doc                               $
1471            tcInstTyVars VanillaTv (varSetElems qtvs)    `thenM` \ (_, _, tenv) ->
1472            unifyTauTy (substTy tenv t1) (substTy tenv t2)
1473 \end{code}
1474
1475 The main context-reduction function is @reduce@.  Here's its game plan.
1476
1477 \begin{code}
1478 reduceList :: (Int,[Inst])              -- Stack (for err msgs)
1479                                         -- along with its depth
1480            -> (Inst -> WhatToDo)
1481            -> [Inst]
1482            -> Avails
1483            -> TcM Avails
1484 \end{code}
1485
1486 @reduce@ is passed
1487      try_me:    given an inst, this function returns
1488                   Reduce       reduce this
1489                   DontReduce   return this in "irreds"
1490                   Free         return this in "frees"
1491
1492      wanteds:   The list of insts to reduce
1493      state:     An accumulating parameter of type Avails
1494                 that contains the state of the algorithm
1495
1496   It returns a Avails.
1497
1498 The (n,stack) pair is just used for error reporting.
1499 n is always the depth of the stack.
1500 The stack is the stack of Insts being reduced: to produce X
1501 I had to produce Y, to produce Y I had to produce Z, and so on.
1502
1503 \begin{code}
1504 reduceList (n,stack) try_me wanteds state
1505   | n > opt_MaxContextReductionDepth
1506   = failWithTc (reduceDepthErr n stack)
1507
1508   | otherwise
1509   =
1510 #ifdef DEBUG
1511    (if n > 8 then
1512         pprTrace "Jeepers! ReduceContext:" (reduceDepthMsg n stack)
1513     else (\x->x))
1514 #endif
1515     go wanteds state
1516   where
1517     go []     state = returnM state
1518     go (w:ws) state = reduce (n+1, w:stack) try_me w state      `thenM` \ state' ->
1519                       go ws state'
1520
1521     -- Base case: we're done!
1522 reduce stack try_me wanted avails
1523     -- It's the same as an existing inst, or a superclass thereof
1524   | Just avail <- isAvailable avails wanted
1525   = if isLinearInst wanted then
1526         addLinearAvailable avails avail wanted  `thenM` \ (avails', wanteds') ->
1527         reduceList stack try_me wanteds' avails'
1528     else
1529         returnM avails          -- No op for non-linear things
1530
1531   | otherwise
1532   = case try_me wanted of {
1533
1534       DontReduce want_scs -> addIrred want_scs avails wanted
1535
1536     ; DontReduceUnlessConstant ->    -- It's irreducible (or at least should not be reduced)
1537                                      -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1538         try_simple (addIrred AddSCs)    -- Assume want superclasses
1539
1540     ; Free ->   -- It's free so just chuck it upstairs
1541                 -- First, see if the inst can be reduced to a constant in one step
1542         try_simple addFree
1543
1544     ; ReduceMe ->               -- It should be reduced
1545         lookupInst wanted             `thenM` \ lookup_result ->
1546         case lookup_result of
1547             GenInst wanteds' rhs -> addIrred NoSCs avails wanted                `thenM` \ avails1 ->
1548                                     reduceList stack try_me wanteds' avails1    `thenM` \ avails2 ->
1549                                     addWanted avails2 wanted rhs wanteds'
1550                 -- Experiment with temporarily doing addIrred *before* the reduceList, 
1551                 -- which has the effect of adding the thing we are trying
1552                 -- to prove to the database before trying to prove the things it
1553                 -- needs.  See note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1554                 -- NB: we must not do an addWanted before, because that adds the
1555                 --     superclasses too, and thaat can lead to a spurious loop; see
1556                 --     the examples in [SUPERCLASS-LOOP]
1557                 -- So we do an addIrred before, and then overwrite it afterwards with addWanted
1558
1559             SimpleInst rhs       -> addWanted avails wanted rhs []
1560
1561             NoInstance ->    -- No such instance!
1562                              -- Add it and its superclasses
1563                              addIrred AddSCs avails wanted
1564     }
1565   where
1566     try_simple do_this_otherwise
1567       = lookupInst wanted         `thenM` \ lookup_result ->
1568         case lookup_result of
1569             SimpleInst rhs -> addWanted avails wanted rhs []
1570             other          -> do_this_otherwise avails wanted
1571 \end{code}
1572
1573
1574 \begin{code}
1575 -------------------------
1576 isAvailable :: Avails -> Inst -> Maybe Avail
1577 isAvailable avails wanted = lookupFM avails wanted
1578         -- NB 1: the Ord instance of Inst compares by the class/type info
1579         -- *not* by unique.  So
1580         --      d1::C Int ==  d2::C Int
1581
1582 addLinearAvailable :: Avails -> Avail -> Inst -> TcM (Avails, [Inst])
1583 addLinearAvailable avails avail wanted
1584         -- avails currently maps [wanted -> avail]
1585         -- Extend avails to reflect a neeed for an extra copy of avail
1586
1587   | Just avail' <- split_avail avail
1588   = returnM (addToFM avails wanted avail', [])
1589
1590   | otherwise
1591   = tcLookupId splitName                        `thenM` \ split_id ->
1592     tcInstClassOp (instLoc wanted) split_id 
1593                   [linearInstType wanted]       `thenM` \ split_inst ->
1594     returnM (addToFM avails wanted (Linear 2 split_inst avail), [split_inst])
1595
1596   where
1597     split_avail :: Avail -> Maybe Avail
1598         -- (Just av) if there's a modified version of avail that
1599         --           we can use to replace avail in avails
1600         -- Nothing   if there isn't, so we need to create a Linear
1601     split_avail (Linear n i a)              = Just (Linear (n+1) i a)
1602     split_avail (Given id used) | not used  = Just (Given id True)
1603                                 | otherwise = Nothing
1604     split_avail Irred                       = Nothing
1605     split_avail IsFree                      = Nothing
1606     split_avail other = pprPanic "addLinearAvailable" (ppr avail $$ ppr wanted $$ ppr avails)
1607                   
1608 -------------------------
1609 addFree :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1610         -- When an Inst is tossed upstairs as 'free' we nevertheless add it
1611         -- to avails, so that any other equal Insts will be commoned up right
1612         -- here rather than also being tossed upstairs.  This is really just
1613         -- an optimisation, and perhaps it is more trouble that it is worth,
1614         -- as the following comments show!
1615         --
1616         -- NB: do *not* add superclasses.  If we have
1617         --      df::Floating a
1618         --      dn::Num a
1619         -- but a is not bound here, then we *don't* want to derive
1620         -- dn from df here lest we lose sharing.
1621         --
1622 addFree avails free = returnM (addToFM avails free IsFree)
1623
1624 addWanted :: Avails -> Inst -> LHsExpr TcId -> [Inst] -> TcM Avails
1625 addWanted avails wanted rhs_expr wanteds
1626   = addAvailAndSCs avails wanted avail
1627   where
1628     avail | instBindingRequired wanted = Rhs rhs_expr wanteds
1629           | otherwise                  = ASSERT( null wanteds ) NoRhs
1630
1631 addGiven :: Avails -> Inst -> TcM Avails
1632 addGiven avails given = addAvailAndSCs avails given (Given (instToId given) False)
1633         -- No ASSERT( not (given `elemFM` avails) ) because in an instance
1634         -- decl for Ord t we can add both Ord t and Eq t as 'givens', 
1635         -- so the assert isn't true
1636
1637 addIrred :: WantSCs -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1638 addIrred NoSCs  avails irred = returnM (addToFM avails irred Irred)
1639 addIrred AddSCs avails irred = ASSERT2( not (irred `elemFM` avails), ppr irred $$ ppr avails )
1640                                addAvailAndSCs avails irred Irred
1641
1642 addAvailAndSCs :: Avails -> Inst -> Avail -> TcM Avails
1643 addAvailAndSCs avails inst avail
1644   | not (isClassDict inst) = returnM avails1
1645   | otherwise              = traceTc (text "addAvailAndSCs" <+> vcat [ppr inst, ppr deps]) `thenM_`
1646                              addSCs is_loop avails1 inst 
1647   where
1648     avails1      = addToFM avails inst avail
1649     is_loop inst = any (`tcEqType` idType (instToId inst)) dep_tys
1650                         -- Note: this compares by *type*, not by Unique
1651     deps         = findAllDeps emptyVarSet avail
1652     dep_tys      = map idType (varSetElems deps)
1653
1654     findAllDeps :: IdSet -> Avail -> IdSet
1655     -- Find all the Insts that this one depends on
1656     -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1657     -- Watch out, though.  Since the avails may contain loops 
1658     -- (see Note [RECURSIVE DICTIONARIES]), so we need to track the ones we've seen so far
1659     findAllDeps so_far (Rhs _ kids) 
1660       = foldl findAllDeps
1661               (extendVarSetList so_far (map instToId kids))     -- Add the kids to so_far
1662               [a | Just a <- map (lookupFM avails) kids]        -- Find the kids' Avail
1663     findAllDeps so_far other = so_far
1664
1665
1666 addSCs :: (Inst -> Bool) -> Avails -> Inst -> TcM Avails
1667         -- Add all the superclasses of the Inst to Avails
1668         -- The first param says "dont do this because the original thing
1669         --      depends on this one, so you'd build a loop"
1670         -- Invariant: the Inst is already in Avails.
1671
1672 addSCs is_loop avails dict
1673   = newDictsFromOld dict sc_theta'      `thenM` \ sc_dicts ->
1674     foldlM add_sc avails (zipEqual "add_scs" sc_dicts sc_sels)
1675   where
1676     (clas, tys) = getDictClassTys dict
1677     (tyvars, sc_theta, sc_sels, _) = classBigSig clas
1678     sc_theta' = substTheta (mkTopTyVarSubst tyvars tys) sc_theta
1679
1680     add_sc avails (sc_dict, sc_sel)     -- Add it, and its superclasses
1681       | add_me sc_dict = addSCs is_loop avails' sc_dict
1682       | otherwise      = returnM avails
1683       where
1684         sc_sel_rhs = mkHsDictApp (mkHsTyApp (L (instSpan dict) (HsVar sc_sel)) tys) [instToId dict]
1685         avails'    = addToFM avails sc_dict (Rhs sc_sel_rhs [dict])
1686
1687     add_me :: Inst -> Bool
1688     add_me sc_dict
1689         | is_loop sc_dict = False       -- See Note [SUPERCLASS-LOOP]
1690         | otherwise       = case lookupFM avails sc_dict of
1691                                 Just (Given _ _) -> False       -- Given is cheaper than superclass selection
1692                                 other            -> True        
1693 \end{code}
1694
1695 Note [SUPERCLASS-LOOP]: Checking for loops
1696 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1697 We have to be careful here.  If we are *given* d1:Ord a,
1698 and want to deduce (d2:C [a]) where
1699
1700         class Ord a => C a where
1701         instance Ord a => C [a] where ...
1702
1703 Then we'll use the instance decl to deduce C [a] and then add the
1704 superclasses of C [a] to avails.  But we must not overwrite the binding
1705 for d1:Ord a (which is given) with a superclass selection or we'll just
1706 build a loop! 
1707
1708 Here's another variant, immortalised in tcrun020
1709         class Monad m => C1 m
1710         class C1 m => C2 m x
1711         instance C2 Maybe Bool
1712 For the instance decl we need to build (C1 Maybe), and it's no good if
1713 we run around and add (C2 Maybe Bool) and its superclasses to the avails 
1714 before we search for C1 Maybe.
1715
1716 Here's another example 
1717         class Eq b => Foo a b
1718         instance Eq a => Foo [a] a
1719 If we are reducing
1720         (Foo [t] t)
1721
1722 we'll first deduce that it holds (via the instance decl).  We must not
1723 then overwrite the Eq t constraint with a superclass selection!
1724
1725 At first I had a gross hack, whereby I simply did not add superclass constraints
1726 in addWanted, though I did for addGiven and addIrred.  This was sub-optimal,
1727 becuase it lost legitimate superclass sharing, and it still didn't do the job:
1728 I found a very obscure program (now tcrun021) in which improvement meant the
1729 simplifier got two bites a the cherry... so something seemed to be an Irred
1730 first time, but reducible next time.
1731
1732 Now we implement the Right Solution, which is to check for loops directly 
1733 when adding superclasses.  It's a bit like the occurs check in unification.
1734
1735
1736 Note [RECURSIVE DICTIONARIES]
1737 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
1738 Consider 
1739     data D r = ZeroD | SuccD (r (D r));
1740     
1741     instance (Eq (r (D r))) => Eq (D r) where
1742         ZeroD     == ZeroD     = True
1743         (SuccD a) == (SuccD b) = a == b
1744         _         == _         = False;
1745     
1746     equalDC :: D [] -> D [] -> Bool;
1747     equalDC = (==);
1748
1749 We need to prove (Eq (D [])).  Here's how we go:
1750
1751         d1 : Eq (D [])
1752
1753 by instance decl, holds if
1754         d2 : Eq [D []]
1755         where   d1 = dfEqD d2
1756
1757 by instance decl of Eq, holds if
1758         d3 : D []
1759         where   d2 = dfEqList d3
1760                 d1 = dfEqD d2
1761
1762 But now we can "tie the knot" to give
1763
1764         d3 = d1
1765         d2 = dfEqList d3
1766         d1 = dfEqD d2
1767
1768 and it'll even run!  The trick is to put the thing we are trying to prove
1769 (in this case Eq (D []) into the database before trying to prove its
1770 contributing clauses.
1771         
1772
1773 %************************************************************************
1774 %*                                                                      *
1775 \section{tcSimplifyTop: defaulting}
1776 %*                                                                      *
1777 %************************************************************************
1778
1779
1780 @tcSimplifyTop@ is called once per module to simplify all the constant
1781 and ambiguous Insts.
1782
1783 We need to be careful of one case.  Suppose we have
1784
1785         instance Num a => Num (Foo a b) where ...
1786
1787 and @tcSimplifyTop@ is given a constraint (Num (Foo x y)).  Then it'll simplify
1788 to (Num x), and default x to Int.  But what about y??
1789
1790 It's OK: the final zonking stage should zap y to (), which is fine.
1791
1792
1793 \begin{code}
1794 tcSimplifyTop, tcSimplifyInteractive :: [Inst] -> TcM TcDictBinds
1795 tcSimplifyTop         wanteds = tc_simplify_top False {- Not interactive loop -} wanteds
1796 tcSimplifyInteractive wanteds = tc_simplify_top True  {- Interactive loop -}     wanteds
1797
1798
1799 -- The TcLclEnv should be valid here, solely to improve
1800 -- error message generation for the monomorphism restriction
1801 tc_simplify_top is_interactive wanteds
1802   = getLclEnv                                                   `thenM` \ lcl_env ->
1803     traceTc (text "tcSimplifyTop" <+> ppr (lclEnvElts lcl_env)) `thenM_`
1804     simpleReduceLoop (text "tcSimplTop") reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, binds, irreds) ->
1805     ASSERT( null frees )
1806
1807     let
1808                 -- All the non-std ones are definite errors
1809         (stds, non_stds) = partition isStdClassTyVarDict irreds
1810
1811                 -- Group by type variable
1812         std_groups = equivClasses cmp_by_tyvar stds
1813
1814                 -- Pick the ones which its worth trying to disambiguate
1815                 -- namely, the onese whose type variable isn't bound
1816                 -- up with one of the non-standard classes
1817         (std_oks, std_bads)     = partition worth_a_try std_groups
1818         worth_a_try group@(d:_) = not (non_std_tyvars `intersectsVarSet` tyVarsOfInst d)
1819         non_std_tyvars          = unionVarSets (map tyVarsOfInst non_stds)
1820
1821                 -- Collect together all the bad guys
1822         bad_guys               = non_stds ++ concat std_bads
1823         (bad_ips, non_ips)     = partition isIPDict bad_guys
1824         (no_insts, ambigs)     = partition no_inst non_ips
1825         no_inst d              = not (isTyVarDict d) 
1826         -- Previously, there was a more elaborate no_inst definition:
1827         --      no_inst d = not (isTyVarDict d) || tyVarsOfInst d `subVarSet` fixed_tvs
1828         --      fixed_tvs = oclose (fdPredsOfInsts tidy_dicts) emptyVarSet
1829         -- But that seems over-elaborate to me; it only bites for class decls with
1830         -- fundeps like this:           class C a b | -> b where ...
1831     in
1832
1833         -- Report definite errors
1834     groupErrs (addNoInstanceErrs Nothing []) no_insts   `thenM_`
1835     addTopIPErrs bad_ips                                `thenM_`
1836
1837         -- Deal with ambiguity errors, but only if
1838         -- if there has not been an error so far; errors often
1839         -- give rise to spurious ambiguous Insts
1840     ifErrsM (returnM []) (
1841         
1842         -- Complain about the ones that don't fall under
1843         -- the Haskell rules for disambiguation
1844         -- This group includes both non-existent instances
1845         --      e.g. Num (IO a) and Eq (Int -> Int)
1846         -- and ambiguous dictionaries
1847         --      e.g. Num a
1848         addTopAmbigErrs ambigs          `thenM_`
1849
1850         -- Disambiguate the ones that look feasible
1851         mappM (disambigGroup is_interactive) std_oks
1852     )                                   `thenM` \ binds_ambig ->
1853
1854     returnM (binds `unionBags` unionManyBags binds_ambig)
1855
1856 ----------------------------------
1857 d1 `cmp_by_tyvar` d2 = get_tv d1 `compare` get_tv d2
1858
1859 get_tv d   = case getDictClassTys d of
1860                    (clas, [ty]) -> tcGetTyVar "tcSimplify" ty
1861 get_clas d = case getDictClassTys d of
1862                    (clas, [ty]) -> clas
1863 \end{code}
1864
1865 If a dictionary constrains a type variable which is
1866         * not mentioned in the environment
1867         * and not mentioned in the type of the expression
1868 then it is ambiguous. No further information will arise to instantiate
1869 the type variable; nor will it be generalised and turned into an extra
1870 parameter to a function.
1871
1872 It is an error for this to occur, except that Haskell provided for
1873 certain rules to be applied in the special case of numeric types.
1874 Specifically, if
1875         * at least one of its classes is a numeric class, and
1876         * all of its classes are numeric or standard
1877 then the type variable can be defaulted to the first type in the
1878 default-type list which is an instance of all the offending classes.
1879
1880 So here is the function which does the work.  It takes the ambiguous
1881 dictionaries and either resolves them (producing bindings) or
1882 complains.  It works by splitting the dictionary list by type
1883 variable, and using @disambigOne@ to do the real business.
1884
1885 @disambigOne@ assumes that its arguments dictionaries constrain all
1886 the same type variable.
1887
1888 ADR Comment 20/6/94: I've changed the @CReturnable@ case to default to
1889 @()@ instead of @Int@.  I reckon this is the Right Thing to do since
1890 the most common use of defaulting is code like:
1891 \begin{verbatim}
1892         _ccall_ foo     `seqPrimIO` bar
1893 \end{verbatim}
1894 Since we're not using the result of @foo@, the result if (presumably)
1895 @void@.
1896
1897 \begin{code}
1898 disambigGroup :: Bool   -- True <=> simplifying at top-level interactive loop
1899               -> [Inst] -- All standard classes of form (C a)
1900               -> TcM TcDictBinds
1901
1902 disambigGroup is_interactive dicts
1903   |   any std_default_class classes     -- Guaranteed all standard classes
1904   =     -- THE DICTS OBEY THE DEFAULTABLE CONSTRAINT
1905         -- SO, TRY DEFAULT TYPES IN ORDER
1906
1907         -- Failure here is caused by there being no type in the
1908         -- default list which can satisfy all the ambiguous classes.
1909         -- For example, if Real a is reqd, but the only type in the
1910         -- default list is Int.
1911     get_default_tys                     `thenM` \ default_tys ->
1912     let
1913       try_default []    -- No defaults work, so fail
1914         = failM
1915
1916       try_default (default_ty : default_tys)
1917         = tryTcLIE_ (try_default default_tys) $ -- If default_ty fails, we try
1918                                                 -- default_tys instead
1919           tcSimplifyDefault theta               `thenM` \ _ ->
1920           returnM default_ty
1921         where
1922           theta = [mkClassPred clas [default_ty] | clas <- classes]
1923     in
1924         -- See if any default works
1925     tryM (try_default default_tys)      `thenM` \ mb_ty ->
1926     case mb_ty of
1927         Left  _                 -> bomb_out
1928         Right chosen_default_ty -> choose_default chosen_default_ty
1929
1930   | otherwise                           -- No defaults
1931   = bomb_out
1932
1933   where
1934     tyvar   = get_tv (head dicts)       -- Should be non-empty
1935     classes = map get_clas dicts
1936
1937     std_default_class cls
1938       =  isNumericClass cls
1939       || (is_interactive && 
1940           classKey cls `elem` [showClassKey, eqClassKey, ordClassKey])
1941                 -- In interactive mode, we default Show a to Show ()
1942                 -- to avoid graututious errors on "show []"
1943
1944     choose_default default_ty   -- Commit to tyvar = default_ty
1945       = -- Bind the type variable 
1946         unifyTauTy default_ty (mkTyVarTy tyvar) `thenM_`
1947         -- and reduce the context, for real this time
1948         simpleReduceLoop (text "disambig" <+> ppr dicts)
1949                      reduceMe dicts                     `thenM` \ (frees, binds, ambigs) ->
1950         WARN( not (null frees && null ambigs), ppr frees $$ ppr ambigs )
1951         warnDefault dicts default_ty                    `thenM_`
1952         returnM binds
1953
1954     bomb_out = addTopAmbigErrs dicts    `thenM_`
1955                returnM emptyBag
1956
1957 get_default_tys
1958   = do  { mb_defaults <- getDefaultTys
1959         ; case mb_defaults of
1960                 Just tys -> return tys
1961                 Nothing  ->     -- No use-supplied default;
1962                                 -- use [Integer, Double]
1963                             do { integer_ty <- tcMetaTy integerTyConName
1964                                ; return [integer_ty, doubleTy] } }
1965 \end{code}
1966
1967 [Aside - why the defaulting mechanism is turned off when
1968  dealing with arguments and results to ccalls.
1969
1970 When typechecking _ccall_s, TcExpr ensures that the external
1971 function is only passed arguments (and in the other direction,
1972 results) of a restricted set of 'native' types. This is
1973 implemented via the help of the pseudo-type classes,
1974 @CReturnable@ (CR) and @CCallable@ (CC.)
1975
1976 The interaction between the defaulting mechanism for numeric
1977 values and CC & CR can be a bit puzzling to the user at times.
1978 For example,
1979
1980     x <- _ccall_ f
1981     if (x /= 0) then
1982        _ccall_ g x
1983      else
1984        return ()
1985
1986 What type has 'x' got here? That depends on the default list
1987 in operation, if it is equal to Haskell 98's default-default
1988 of (Integer, Double), 'x' has type Double, since Integer
1989 is not an instance of CR. If the default list is equal to
1990 Haskell 1.4's default-default of (Int, Double), 'x' has type
1991 Int.
1992
1993 To try to minimise the potential for surprises here, the
1994 defaulting mechanism is turned off in the presence of
1995 CCallable and CReturnable.
1996
1997 End of aside]
1998
1999
2000 %************************************************************************
2001 %*                                                                      *
2002 \subsection[simple]{@Simple@ versions}
2003 %*                                                                      *
2004 %************************************************************************
2005
2006 Much simpler versions when there are no bindings to make!
2007
2008 @tcSimplifyThetas@ simplifies class-type constraints formed by
2009 @deriving@ declarations and when specialising instances.  We are
2010 only interested in the simplified bunch of class/type constraints.
2011
2012 It simplifies to constraints of the form (C a b c) where
2013 a,b,c are type variables.  This is required for the context of
2014 instance declarations.
2015
2016 \begin{code}
2017 tcSimplifyDeriv :: [TyVar]      
2018                 -> ThetaType            -- Wanted
2019                 -> TcM ThetaType        -- Needed
2020
2021 tcSimplifyDeriv tyvars theta
2022   = tcInstTyVars VanillaTv tyvars                       `thenM` \ (tvs, _, tenv) ->
2023         -- The main loop may do unification, and that may crash if 
2024         -- it doesn't see a TcTyVar, so we have to instantiate. Sigh
2025         -- ToDo: what if two of them do get unified?
2026     newDicts DataDeclOrigin (substTheta tenv theta)     `thenM` \ wanteds ->
2027     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds               `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2028     ASSERT( null frees )                        -- reduceMe never returns Free
2029
2030     doptM Opt_AllowUndecidableInstances         `thenM` \ undecidable_ok ->
2031     let
2032         tv_set      = mkVarSet tvs
2033
2034         (bad_insts, ok_insts) = partition is_bad_inst irreds
2035         is_bad_inst dict 
2036            = let pred = dictPred dict   -- reduceMe squashes all non-dicts
2037              in isEmptyVarSet (tyVarsOfPred pred)
2038                   -- Things like (Eq T) are bad
2039              || (not undecidable_ok && not (isTyVarClassPred pred))
2040                   -- The returned dictionaries should be of form (C a b)
2041                   --    (where a, b are type variables).  
2042                   -- We allow non-tyvar dicts if we had -fallow-undecidable-instances,
2043                   -- but note that risks non-termination in the 'deriving' context-inference
2044                   -- fixpoint loop.   It is useful for situations like
2045                   --    data Min h a = E | M a (h a)
2046                   -- which gives the instance decl
2047                   --    instance (Eq a, Eq (h a)) => Eq (Min h a)
2048   
2049         simpl_theta = map dictPred ok_insts
2050         weird_preds = [pred | pred <- simpl_theta
2051                             , not (tyVarsOfPred pred `subVarSet` tv_set)]  
2052           -- Check for a bizarre corner case, when the derived instance decl should
2053           -- have form  instance C a b => D (T a) where ...
2054           -- Note that 'b' isn't a parameter of T.  This gives rise to all sorts
2055           -- of problems; in particular, it's hard to compare solutions for
2056           -- equality when finding the fixpoint.  So I just rule it out for now.
2057   
2058         rev_env = mkTopTyVarSubst tvs (mkTyVarTys tyvars)
2059                 -- This reverse-mapping is a Royal Pain, 
2060                 -- but the result should mention TyVars not TcTyVars
2061     in
2062    
2063     addNoInstanceErrs Nothing [] bad_insts              `thenM_`
2064     mapM_ (addErrTc . badDerivedPred) weird_preds       `thenM_`
2065     checkAmbiguity tvs simpl_theta tv_set               `thenM_`
2066     returnM (substTheta rev_env simpl_theta)
2067   where
2068     doc    = ptext SLIT("deriving classes for a data type")
2069 \end{code}
2070
2071 @tcSimplifyDefault@ just checks class-type constraints, essentially;
2072 used with \tr{default} declarations.  We are only interested in
2073 whether it worked or not.
2074
2075 \begin{code}
2076 tcSimplifyDefault :: ThetaType  -- Wanted; has no type variables in it
2077                   -> TcM ()
2078
2079 tcSimplifyDefault theta
2080   = newDicts DataDeclOrigin theta               `thenM` \ wanteds ->
2081     simpleReduceLoop doc reduceMe wanteds       `thenM` \ (frees, _, irreds) ->
2082     ASSERT( null frees )        -- try_me never returns Free
2083     addNoInstanceErrs Nothing []  irreds        `thenM_`
2084     if null irreds then
2085         returnM ()
2086     else
2087         failM
2088   where
2089     doc = ptext SLIT("default declaration")
2090 \end{code}
2091
2092
2093 %************************************************************************
2094 %*                                                                      *
2095 \section{Errors and contexts}
2096 %*                                                                      *
2097 %************************************************************************
2098
2099 ToDo: for these error messages, should we note the location as coming
2100 from the insts, or just whatever seems to be around in the monad just
2101 now?
2102
2103 \begin{code}
2104 groupErrs :: ([Inst] -> TcM ()) -- Deal with one group
2105           -> [Inst]             -- The offending Insts
2106           -> TcM ()
2107 -- Group together insts with the same origin
2108 -- We want to report them together in error messages
2109
2110 groupErrs report_err [] 
2111   = returnM ()
2112 groupErrs report_err (inst:insts) 
2113   = do_one (inst:friends)               `thenM_`
2114     groupErrs report_err others
2115
2116   where
2117         -- (It may seem a bit crude to compare the error messages,
2118         --  but it makes sure that we combine just what the user sees,
2119         --  and it avoids need equality on InstLocs.)
2120    (friends, others) = partition is_friend insts
2121    loc_msg           = showSDoc (pprInstLoc (instLoc inst))
2122    is_friend friend  = showSDoc (pprInstLoc (instLoc friend)) == loc_msg
2123    do_one insts = addInstCtxt (instLoc (head insts)) (report_err insts)
2124                 -- Add location and context information derived from the Insts
2125
2126 -- Add the "arising from..." part to a message about bunch of dicts
2127 addInstLoc :: [Inst] -> Message -> Message
2128 addInstLoc insts msg = msg $$ nest 2 (pprInstLoc (instLoc (head insts)))
2129
2130 plural [x] = empty
2131 plural xs  = char 's'
2132
2133 addTopIPErrs dicts
2134   = groupErrs report tidy_dicts
2135   where
2136     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2137     report dicts = addErrTcM (tidy_env, mk_msg dicts)
2138     mk_msg dicts = addInstLoc dicts (ptext SLIT("Unbound implicit parameter") <> 
2139                                      plural tidy_dicts <+> pprDictsTheta tidy_dicts)
2140
2141 addNoInstanceErrs :: Maybe SDoc -- Nothing => top level
2142                                 -- Just d => d describes the construct
2143                   -> [Inst]     -- What is given by the context or type sig
2144                   -> [Inst]     -- What is wanted
2145                   -> TcM ()     
2146 addNoInstanceErrs mb_what givens [] 
2147   = returnM ()
2148 addNoInstanceErrs mb_what givens dicts
2149   =     -- Some of the dicts are here because there is no instances
2150         -- and some because there are too many instances (overlap)
2151         -- The first thing we do is separate them
2152     getDOpts            `thenM` \ dflags ->
2153     tcGetInstEnvs       `thenM` \ inst_envs ->
2154     let
2155         (tidy_env1, tidy_givens) = tidyInsts givens
2156         (tidy_env2, tidy_dicts)  = tidyMoreInsts tidy_env1 dicts
2157
2158         -- Run through the dicts, generating a message for each
2159         -- overlapping one, but simply accumulating all the 
2160         -- no-instance ones so they can be reported as a group
2161         (overlap_doc, no_inst_dicts) = foldl check_overlap (empty, []) tidy_dicts
2162         check_overlap (overlap_doc, no_inst_dicts) dict 
2163           | not (isClassDict dict) = (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)
2164           | otherwise
2165           = case lookupInstEnv dflags inst_envs clas tys of
2166                 res@(ms, _) 
2167                   | length ms > 1 -> (mk_overlap_msg dict res $$ overlap_doc, no_inst_dicts)
2168                   | otherwise     -> (overlap_doc, dict : no_inst_dicts)        -- No match
2169                 -- NB: there can be exactly one match, in the case where we have
2170                 --      instance C a where ...
2171                 -- (In this case, lookupInst doesn't bother to look up, 
2172                 --  unless -fallow-undecidable-instances is set.)
2173                 -- So we report this as "no instance" rather than "overlap"; the fix is
2174                 -- to specify -fallow-undecidable-instances, but we leave that to the programmer!
2175           where
2176             (clas,tys) = getDictClassTys dict
2177     in
2178     mk_probable_fix tidy_env2 mb_what no_inst_dicts     `thenM` \ (tidy_env3, probable_fix) ->
2179     let
2180         no_inst_doc | null no_inst_dicts = empty
2181                     | otherwise = vcat [addInstLoc no_inst_dicts heading, probable_fix]
2182         heading | null givens = ptext SLIT("No instance") <> plural no_inst_dicts <+> 
2183                                 ptext SLIT("for") <+> pprDictsTheta no_inst_dicts
2184                 | otherwise   = sep [ptext SLIT("Could not deduce") <+> pprDictsTheta no_inst_dicts,
2185                                      nest 2 $ ptext SLIT("from the context") <+> pprDictsTheta tidy_givens]
2186     in
2187     addErrTcM (tidy_env3, no_inst_doc $$ overlap_doc)
2188  
2189   where
2190     mk_overlap_msg dict (matches, unifiers)
2191       = vcat [  addInstLoc [dict] ((ptext SLIT("Overlapping instances for") 
2192                                         <+> pprPred (dictPred dict))),
2193                 sep [ptext SLIT("Matching instances") <> colon,
2194                      nest 2 (pprDFuns (dfuns ++ unifiers))],
2195                 if null unifiers 
2196                 then empty
2197                 else parens (ptext SLIT("The choice depends on the instantiation of") <+>
2198                              quotes (pprWithCommas ppr (varSetElems (tyVarsOfInst dict))))]
2199       where
2200         dfuns = [df | (_, (_,_,df)) <- matches]
2201
2202     mk_probable_fix tidy_env Nothing dicts      -- Top level
2203       = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts
2204     mk_probable_fix tidy_env (Just what) dicts  -- Nested (type signatures, instance decls)
2205       = returnM (tidy_env, sep [ptext SLIT("Probable fix:"), nest 2 fix1, nest 2 fix2])
2206       where
2207         fix1 = sep [ptext SLIT("Add") <+> pprDictsTheta dicts,
2208                     ptext SLIT("to the") <+> what]
2209
2210         fix2 | null instance_dicts = empty
2211              | otherwise           = ptext SLIT("Or add an instance declaration for")
2212                                      <+> pprDictsTheta instance_dicts
2213         instance_dicts = [d | d <- dicts, isClassDict d, not (isTyVarDict d)]
2214                 -- Insts for which it is worth suggesting an adding an instance declaration
2215                 -- Exclude implicit parameters, and tyvar dicts
2216
2217
2218 addTopAmbigErrs dicts
2219 -- Divide into groups that share a common set of ambiguous tyvars
2220   = mapM report (equivClasses cmp [(d, tvs_of d) | d <- tidy_dicts])
2221   where
2222     (tidy_env, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2223
2224     tvs_of :: Inst -> [TcTyVar]
2225     tvs_of d = varSetElems (tyVarsOfInst d)
2226     cmp (_,tvs1) (_,tvs2) = tvs1 `compare` tvs2
2227     
2228     report :: [(Inst,[TcTyVar])] -> TcM ()
2229     report pairs@((inst,tvs) : _)       -- The pairs share a common set of ambiguous tyvars
2230         = mkMonomorphismMsg tidy_env dicts      `thenM` \ (tidy_env, mono_msg) ->
2231           addSrcSpan (instLocSrcSpan (instLoc inst)) $
2232                 -- the location of the first one will do for the err message
2233           addErrTcM (tidy_env, msg $$ mono_msg)
2234         where
2235           dicts = map fst pairs
2236           msg = sep [text "Ambiguous type variable" <> plural tvs <+> 
2237                              pprQuotedList tvs <+> in_msg,
2238                      nest 2 (pprDictsInFull dicts)]
2239           in_msg | isSingleton dicts = text "in the top-level constraint:"
2240                  | otherwise         = text "in these top-level constraints:"
2241
2242
2243 mkMonomorphismMsg :: TidyEnv -> [Inst] -> TcM (TidyEnv, Message)
2244 -- There's an error with these Insts; if they have free type variables
2245 -- it's probably caused by the monomorphism restriction. 
2246 -- Try to identify the offending variable
2247 -- ASSUMPTION: the Insts are fully zonked
2248 mkMonomorphismMsg tidy_env insts
2249   | isEmptyVarSet inst_tvs
2250   = returnM (tidy_env, empty)
2251   | otherwise
2252   = findGlobals inst_tvs tidy_env       `thenM` \ (tidy_env, docs) ->
2253     returnM (tidy_env, mk_msg docs)
2254
2255   where
2256     inst_tvs = tyVarsOfInsts insts
2257
2258     mk_msg []   = empty         -- This happens in things like
2259                                 --      f x = show (read "foo")
2260                                 -- whre monomorphism doesn't play any role
2261     mk_msg docs = vcat [ptext SLIT("Possible cause: the monomorphism restriction applied to the following:"),
2262                         nest 2 (vcat docs),
2263                         ptext SLIT("Probable fix: give these definition(s) an explicit type signature")]
2264     
2265 warnDefault dicts default_ty
2266   = doptM Opt_WarnTypeDefaults  `thenM` \ warn_flag ->
2267     addInstCtxt (instLoc (head dicts)) (warnTc warn_flag warn_msg)
2268   where
2269         -- Tidy them first
2270     (_, tidy_dicts) = tidyInsts dicts
2271     warn_msg  = vcat [ptext SLIT("Defaulting the following constraint(s) to type") <+>
2272                                 quotes (ppr default_ty),
2273                       pprDictsInFull tidy_dicts]
2274
2275 -- Used for the ...Thetas variants; all top level
2276 badDerivedPred pred
2277   = vcat [ptext SLIT("Can't derive instances where the instance context mentions"),
2278           ptext SLIT("type variables that are not data type parameters"),
2279           nest 2 (ptext SLIT("Offending constraint:") <+> ppr pred)]
2280
2281 reduceDepthErr n stack
2282   = vcat [ptext SLIT("Context reduction stack overflow; size =") <+> int n,
2283           ptext SLIT("Use -fcontext-stack20 to increase stack size to (e.g.) 20"),
2284           nest 4 (pprDictsInFull stack)]
2285
2286 reduceDepthMsg n stack = nest 4 (pprDictsInFull stack)
2287 \end{code}