Fix instance rules for functional dependencies
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / types / FunDeps.lhs
1 %
2 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 2000
3 %
4 \section[FunDeps]{FunDeps - functional dependencies}
5
6 It's better to read it as: "if we know these, then we're going to know these"
7
8 \begin{code}
9 module FunDeps (
10         Equation, pprEquation, pprEquationDoc,
11         oclose, grow, improve, 
12         checkInstCoverage, checkFunDeps,
13         pprFundeps
14     ) where
15
16 #include "HsVersions.h"
17
18 import Name             ( Name, getSrcLoc )
19 import Var              ( TyVar )
20 import Class            ( Class, FunDep, classTvsFds )
21 import Unify            ( tcUnifyTys, BindFlag(..) )
22 import Type             ( substTys, notElemTvSubst )
23 import TcType           ( Type, PredType(..), tcEqType, 
24                           predTyUnique, mkClassPred, tyVarsOfTypes, tyVarsOfPred )
25 import InstEnv          ( Instance(..), InstEnv, instanceHead, classInstances,
26                           instanceCantMatch, roughMatchTcs )
27 import VarSet
28 import VarEnv
29 import Outputable
30 import Util             ( notNull )
31 import List             ( tails )
32 import Maybe            ( isJust )
33 import ListSetOps       ( equivClassesByUniq )
34 \end{code}
35
36
37 %************************************************************************
38 %*                                                                      *
39 \subsection{Close type variables}
40 %*                                                                      *
41 %************************************************************************
42
43 (oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
44 wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
45 of the argument set.  For example, if we have
46         class C a b | a->b where ...
47 then
48         oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
49 because if we know x and y then that fixes z.
50
51 Using oclose
52 ~~~~~~~~~~~~
53 oclose is used
54
55 a) When determining ambiguity.  The type
56         forall a,b. C a b => a
57 is not ambiguous (given the above class decl for C) because
58 a determines b.  
59
60 b) When generalising a type T.  Usually we take FV(T) \ FV(Env),
61 but in fact we need
62         FV(T) \ (FV(Env)+)
63 where the '+' is the oclosure operation.  Notice that we do not 
64 take FV(T)+.  This puzzled me for a bit.  Consider
65
66         f = E
67
68 and suppose e have that E :: C a b => a, and suppose that b is
69 free in the environment. Then we quantify over 'a' only, giving
70 the type forall a. C a b => a.  Since a->b but we don't have b->a,
71 we might have instance decls like
72         instance C Bool Int where ...
73         instance C Char Int where ...
74 so knowing that b=Int doesn't fix 'a'; so we quantify over it.
75
76                 ---------------
77                 A WORRY: ToDo!
78                 ---------------
79 If we have      class C a b => D a b where ....
80                 class D a b | a -> b where ...
81 and the preds are [C (x,y) z], then we want to see the fd in D,
82 even though it is not explicit in C, giving [({x,y},{z})]
83
84 Similarly for instance decls?  E.g. Suppose we have
85         instance C a b => Eq (T a b) where ...
86 and we infer a type t with constraints Eq (T a b) for a particular
87 expression, and suppose that 'a' is free in the environment.  
88 We could generalise to
89         forall b. Eq (T a b) => t
90 but if we reduced the constraint, to C a b, we'd see that 'a' determines
91 b, so that a better type might be
92         t (with free constraint C a b) 
93 Perhaps it doesn't matter, because we'll still force b to be a
94 particular type at the call sites.  Generalising over too many
95 variables (provided we don't shadow anything by quantifying over a
96 variable that is actually free in the envt) may postpone errors; it
97 won't hide them altogether.
98
99
100 \begin{code}
101 oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
102 oclose preds fixed_tvs
103   | null tv_fds = fixed_tvs     -- Fast escape hatch for common case
104   | otherwise   = loop fixed_tvs
105   where
106     loop fixed_tvs
107         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
108         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
109         where
110           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
111
112     extend fixed_tvs (ls,rs) | ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
113                              | otherwise                = fixed_tvs
114
115     tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
116         -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
117         -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
118     tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
119               | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
120                 let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
121                 fd <- cls_fds,
122                 let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
123               ]
124 \end{code}
125
126 \begin{code}
127 grow :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
128 grow preds fixed_tvs 
129   | null preds = fixed_tvs
130   | otherwise  = loop fixed_tvs
131   where
132     loop fixed_tvs
133         | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
134         | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
135         where
136           new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs pred_sets
137
138     extend fixed_tvs pred_tvs 
139         | fixed_tvs `intersectsVarSet` pred_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` pred_tvs
140         | otherwise                             = fixed_tvs
141
142     pred_sets = [tyVarsOfPred pred | pred <- preds]
143 \end{code}
144     
145 %************************************************************************
146 %*                                                                      *
147 \subsection{Generate equations from functional dependencies}
148 %*                                                                      *
149 %************************************************************************
150
151
152 \begin{code}
153 ----------
154 type Equation = (TyVarSet, [(Type, Type)])
155 -- These pairs of types should be equal, for some
156 -- substitution of the tyvars in the tyvar set
157 -- INVARIANT: corresponding types aren't already equal
158
159 -- It's important that we have a *list* of pairs of types.  Consider
160 --      class C a b c | a -> b c where ...
161 --      instance C Int x x where ...
162 -- Then, given the constraint (C Int Bool v) we should improve v to Bool,
163 -- via the equation ({x}, [(Bool,x), (v,x)])
164 -- This would not happen if the class had looked like
165 --      class C a b c | a -> b, a -> c
166
167 -- To "execute" the equation, make fresh type variable for each tyvar in the set,
168 -- instantiate the two types with these fresh variables, and then unify.
169 --
170 -- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
171 -- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
172 -- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
173 -- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
174
175 pprEquationDoc (eqn, doc) = vcat [pprEquation eqn, nest 2 doc]
176
177 pprEquation (qtvs, pairs) 
178   = vcat [ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)),
179           nest 2 (vcat [ ppr t1 <+> ptext SLIT(":=:") <+> ppr t2 | (t1,t2) <- pairs])]
180
181 ----------
182 improve :: (Class -> [Instance])        -- Gives instances for given class
183         -> [(PredType,SDoc)]    -- Current constraints; doc says where they come from
184         -> [(Equation,SDoc)]    -- Derived equalities that must also hold
185                                 -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
186                                 -- The SDoc explains why the equation holds (for error messages)
187 \end{code}
188
189 Given a bunch of predicates that must hold, such as
190
191         C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
192
193 improve figures out what extra equations must hold.
194 For example, if we have
195
196         class C a b | a->b where ...
197
198 then improve will return
199
200         [(t1,t2), (t4,t5)]
201
202 NOTA BENE:
203
204   * improve does not iterate.  It's possible that when we make
205     t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
206     This would happen if we also had
207         C t1 t7, C t2 t8
208     If t1=t2, we also get t7=t8.
209
210     improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
211     doing so.
212
213   * The equations unify types that are not already equal.  So there
214     is no effect iff the result of improve is empty
215
216
217
218 \begin{code}
219 improve inst_env preds
220   = [ eqn | group <- equivClassesByUniq (predTyUnique . fst) preds,
221             eqn   <- checkGroup inst_env group ]
222
223 ----------
224 checkGroup :: (Class -> [Instance])
225            -> [(PredType,SDoc)]
226            -> [(Equation, SDoc)]
227   -- The preds are all for the same class or implicit param
228
229 checkGroup inst_env (p1@(IParam _ ty, _) : ips)
230   =     -- For implicit parameters, all the types must match
231     [ ((emptyVarSet, [(ty,ty')]), mkEqnMsg p1 p2) 
232     | p2@(IParam _ ty', _) <- ips, not (ty `tcEqType` ty')]
233
234 checkGroup inst_env clss@((ClassP cls _, _) : _)
235   =     -- For classes life is more complicated  
236         -- Suppose the class is like
237         --      classs C as | (l1 -> r1), (l2 -> r2), ... where ...
238         -- Then FOR EACH PAIR (ClassP c tys1, ClassP c tys2) in the list clss
239         -- we check whether
240         --      U l1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
241         --  (where U is a unifier)
242         -- 
243         -- If so, we return the pair
244         --      U r1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
245         --
246         -- We need to do something very similar comparing each predicate
247         -- with relevant instance decls
248
249     instance_eqns ++ pairwise_eqns
250         -- NB: we put the instance equations first.   This biases the 
251         -- order so that we first improve individual constraints against the
252         -- instances (which are perhaps in a library and less likely to be
253         -- wrong; and THEN perform the pairwise checks.
254         -- The other way round, it's possible for the pairwise check to succeed
255         -- and cause a subsequent, misleading failure of one of the pair with an
256         -- instance declaration.  See tcfail143.hs for an exmample
257
258   where
259     (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
260     instances          = inst_env cls
261
262         -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
263         -- empty, which aborts the rest of the loop.
264     pairwise_eqns :: [(Equation,SDoc)]
265     pairwise_eqns       -- This group comes from pairwise comparison
266       = [ (eqn, mkEqnMsg p1 p2)
267         | fd <- cls_fds,
268           p1@(ClassP _ tys1, _) : rest <- tails clss,
269           p2@(ClassP _ tys2, _) <- rest,
270           eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys1 tys2
271         ]
272
273     instance_eqns :: [(Equation,SDoc)]
274     instance_eqns       -- This group comes from comparing with instance decls
275       = [ (eqn, mkEqnMsg p1 p2)
276         | fd <- cls_fds,        -- Iterate through the fundeps first, 
277                                 -- because there often are none!
278           p2@(ClassP _ tys2, _) <- clss,
279           let rough_tcs2 = trimRoughMatchTcs cls_tvs fd (roughMatchTcs tys2),
280           ispec@(Instance { is_tvs = qtvs, is_tys = tys1, 
281                             is_tcs = mb_tcs1 }) <- instances,
282           not (instanceCantMatch mb_tcs1 rough_tcs2),
283           eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys1 tys2,
284           let p1 = (mkClassPred cls tys1, 
285                     ptext SLIT("arising from the instance declaration at") <+> 
286                         ppr (getSrcLoc ispec))
287         ]
288
289 mkEqnMsg (pred1,from1) (pred2,from2)
290   = vcat [ptext SLIT("When using functional dependencies to combine"),
291           nest 2 (sep [ppr pred1 <> comma, nest 2 from1]), 
292           nest 2 (sep [ppr pred2 <> comma, nest 2 from2])]
293  
294 ----------
295 checkClsFD :: TyVarSet                  -- Quantified type variables; see note below
296            -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
297            -> [Type] -> [Type]
298            -> [Equation]
299
300 checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
301 -- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
302 -- to make the types match.  For example, given
303 --      class C a b | a->b where ...
304 --      instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
305 --
306 -- and an Inst of form (C (Maybe t1) t2), 
307 -- then we will call checkClsFD with
308 --
309 --      qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
310 --                  tys2 = [Maybe t1, t2]
311 --
312 -- We can instantiate x to t1, and then we want to force
313 --      (Tree x) [t1/x]  :=:   t2
314 --
315 -- This function is also used when matching two Insts (rather than an Inst
316 -- against an instance decl. In that case, qtvs is empty, and we are doing
317 -- an equality check
318 -- 
319 -- This function is also used by InstEnv.badFunDeps, which needs to *unify*
320 -- For the one-sided matching case, the qtvs are just from the template,
321 -- so we get matching
322 --
323   = ASSERT2( length tys1 == length tys2     && 
324              length tys1 == length clas_tvs 
325             , ppr tys1 <+> ppr tys2 )
326
327     case tcUnifyTys bind_fn ls1 ls2 of
328         Nothing  -> []
329         Just subst | isJust (tcUnifyTys bind_fn rs1' rs2') 
330                         -- Don't include any equations that already hold. 
331                         -- Reason: then we know if any actual improvement has happened,
332                         --         in which case we need to iterate the solver
333                         -- In making this check we must taking account of the fact that any 
334                         -- qtvs that aren't already instantiated can be instantiated to anything 
335                         -- at all
336                   -> []
337
338                   | otherwise   -- Aha!  A useful equation
339                   -> [ (qtvs', zip rs1' rs2')]
340                         -- We could avoid this substTy stuff by producing the eqn
341                         -- (qtvs, ls1++rs1, ls2++rs2)
342                         -- which will re-do the ls1/ls2 unification when the equation is
343                         -- executed.  What we're doing instead is recording the partial
344                         -- work of the ls1/ls2 unification leaving a smaller unification problem
345                   where
346                     rs1'  = substTys subst rs1 
347                     rs2'  = substTys subst rs2
348                     qtvs' = filterVarSet (`notElemTvSubst` subst) qtvs
349                         -- qtvs' are the quantified type variables
350                         -- that have not been substituted out
351                         --      
352                         -- Eg.  class C a b | a -> b
353                         --      instance C Int [y]
354                         -- Given constraint C Int z
355                         -- we generate the equation
356                         --      ({y}, [y], z)
357   where
358     bind_fn tv | tv `elemVarSet` qtvs = BindMe
359                | otherwise            = Skolem
360
361     (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
362     (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
363
364 instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
365 instFD (ls,rs) tvs tys
366   = (map lookup ls, map lookup rs)
367   where
368     env       = zipVarEnv tvs tys
369     lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
370 \end{code}
371
372 \begin{code}
373 checkInstCoverage :: Class -> [Type] -> Bool
374 -- Check that the Coverage Condition is obeyed in an instance decl
375 -- For example, if we have 
376 --      class theta => C a b | a -> b
377 --      instance C t1 t2 
378 -- Then we require fv(t2) `subset` fv(t1)
379 -- See Note [Coverage Condition] below
380
381 checkInstCoverage clas inst_taus
382   = all fundep_ok fds
383   where
384     (tyvars, fds) = classTvsFds clas
385     fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` tyVarsOfTypes ls
386                  where
387                    (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
388 \end{code}
389
390 Note [Coverage condition]
391 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
392 For the coverage condition, we used to require only that 
393         fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
394
395 Example:
396         class Mul a b c | a b -> c where
397                 (.*.) :: a -> b -> c
398
399         instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
400         instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
401         instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
402
403 In the third instance, it's not the case that fv([c]) `subset` fv(a,[b]).
404 But it is the case that fv([c]) `subset` oclose( theta, fv(a,[b]) )
405
406 But it is a mistake to accept the instance because then this defn:
407         f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
408 makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
409         Mul a [b] b
410
411
412 %************************************************************************
413 %*                                                                      *
414         Check that a new instance decl is OK wrt fundeps
415 %*                                                                      *
416 %************************************************************************
417
418 Here is the bad case:
419         class C a b | a->b where ...
420         instance C Int Bool where ...
421         instance C Int Char where ...
422
423 The point is that a->b, so Int in the first parameter must uniquely
424 determine the second.  In general, given the same class decl, and given
425
426         instance C s1 s2 where ...
427         instance C t1 t2 where ...
428
429 Then the criterion is: if U=unify(s1,t1) then U(s2) = U(t2).
430
431 Matters are a little more complicated if there are free variables in
432 the s2/t2.  
433
434         class D a b c | a -> b
435         instance D a b => D [(a,a)] [b] Int
436         instance D a b => D [a]     [b] Bool
437
438 The instance decls don't overlap, because the third parameter keeps
439 them separate.  But we want to make sure that given any constraint
440         D s1 s2 s3
441 if s1 matches 
442
443
444 \begin{code}
445 checkFunDeps :: (InstEnv, InstEnv) -> Instance
446              -> Maybe [Instance]        -- Nothing  <=> ok
447                                         -- Just dfs <=> conflict with dfs
448 -- Check wheher adding DFunId would break functional-dependency constraints
449 -- Used only for instance decls defined in the module being compiled
450 checkFunDeps inst_envs ispec
451   | null bad_fundeps = Nothing
452   | otherwise        = Just bad_fundeps
453   where
454     (ins_tvs, _, clas, ins_tys) = instanceHead ispec
455     ins_tv_set   = mkVarSet ins_tvs
456     cls_inst_env = classInstances inst_envs clas
457     bad_fundeps  = badFunDeps cls_inst_env clas ins_tv_set ins_tys
458
459 badFunDeps :: [Instance] -> Class
460            -> TyVarSet -> [Type]        -- Proposed new instance type
461            -> [Instance]
462 badFunDeps cls_insts clas ins_tv_set ins_tys 
463   = [ ispec | fd <- fds,        -- fds is often empty
464               let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs clas_tvs fd rough_tcs,
465               ispec@(Instance { is_tcs = mb_tcs, is_tvs = tvs, 
466                                 is_tys = tys }) <- cls_insts,
467                 -- Filter out ones that can't possibly match, 
468                 -- based on the head of the fundep
469               not (instanceCantMatch trimmed_tcs mb_tcs),       
470               notNull (checkClsFD (tvs `unionVarSet` ins_tv_set) 
471                                    fd clas_tvs tys ins_tys)
472     ]
473   where
474     (clas_tvs, fds) = classTvsFds clas
475     rough_tcs = roughMatchTcs ins_tys
476
477 trimRoughMatchTcs :: [TyVar] -> FunDep TyVar -> [Maybe Name] -> [Maybe Name]
478 -- Computing rough_tcs for a particular fundep
479 --      class C a b c | a c -> b where ... 
480 -- For each instance .... => C ta tb tc
481 -- we want to match only on the types ta, tb; so our
482 -- rough-match thing must similarly be filtered.  
483 -- Hence, we Nothing-ise the tb type right here
484 trimRoughMatchTcs clas_tvs (ltvs,_) mb_tcs
485   = zipWith select clas_tvs mb_tcs
486   where
487     select clas_tv mb_tc | clas_tv `elem` ltvs = mb_tc
488                          | otherwise           = Nothing
489 \end{code}
490
491
492 %************************************************************************
493 %*                                                                      *
494 \subsection{Miscellaneous}
495 %*                                                                      *
496 %************************************************************************
497
498 \begin{code}
499 pprFundeps :: Outputable a => [FunDep a] -> SDoc
500 pprFundeps [] = empty
501 pprFundeps fds = hsep (ptext SLIT("|") : punctuate comma (map ppr_fd fds))
502
503 ppr_fd (us, vs) = hsep [interppSP us, ptext SLIT("->"), interppSP vs]
504 \end{code}
505