Zonk quantified tyvars with skolems
[ghc-hetmet.git] / compiler / typecheck / TcMType.lhs
index 0845853..bcd99b5 100644 (file)
@@ -9,6 +9,13 @@ This module contains monadic operations over types that contain
 mutable type variables
 
 \begin{code}
+{-# OPTIONS -w #-}
+-- The above warning supression flag is a temporary kludge.
+-- While working on this module you are encouraged to remove it and fix
+-- any warnings in the module. See
+--     http://hackage.haskell.org/trac/ghc/wiki/Commentary/CodingStyle#Warnings
+-- for details
+
 module TcMType (
   TcTyVar, TcKind, TcType, TcTauType, TcThetaType, TcTyVarSet,
 
@@ -27,22 +34,23 @@ module TcMType (
 
   --------------------------------
   -- Creating new coercion variables
-  newCoVars,
+  newCoVars, newMetaCoVar,
 
   --------------------------------
   -- Instantiation
   tcInstTyVar, tcInstType, tcInstTyVars, tcInstBoxyTyVar,
   tcInstSigTyVars, zonkSigTyVar,
   tcInstSkolTyVar, tcInstSkolTyVars, tcInstSkolType, 
-  tcSkolSigType, tcSkolSigTyVars,
+  tcSkolSigType, tcSkolSigTyVars, occurCheckErr,
 
   --------------------------------
   -- Checking type validity
   Rank, UserTypeCtxt(..), checkValidType, 
   SourceTyCtxt(..), checkValidTheta, checkFreeness,
-  checkValidInstHead, checkValidInstance, checkAmbiguity,
-  checkInstTermination,
-  arityErr, 
+  checkValidInstHead, checkValidInstance, 
+  checkInstTermination, checkValidTypeInst, checkTyFamFreeness,
+  checkUpdateMeta, updateMeta, checkTauTvUpdate, fillBoxWithTau, unifyKindCtxt,
+  unifyKindMisMatch, validDerivPred, arityErr, notMonoType, notMonoArgs,
 
   --------------------------------
   -- Zonking
@@ -53,7 +61,6 @@ module TcMType (
   zonkTcKindToKind, zonkTcKind, zonkTopTyVar,
 
   readKindVar, writeKindVar
-
   ) where
 
 #include "HsVersions.h"
@@ -62,7 +69,6 @@ module TcMType (
 import TypeRep
 import TcType
 import Type
-import Type
 import Coercion
 import Class
 import TyCon
@@ -82,7 +88,7 @@ import UniqSupply
 import SrcLoc
 import Outputable
 
-import Control.Monad   ( when )
+import Control.Monad   ( when, unless )
 import Data.List       ( (\\) )
 \end{code}
 
@@ -119,6 +125,267 @@ tcInstType inst_tyvars ty
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
+       Updating tau types
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+Can't be in TcUnify, as we also need it in TcTyFuns.
+
+\begin{code}
+type SwapFlag = Bool
+       -- False <=> the two args are (actual, expected) respectively
+       -- True  <=> the two args are (expected, actual) respectively
+
+checkUpdateMeta :: SwapFlag
+               -> TcTyVar -> IORef MetaDetails -> TcType -> TcM ()
+-- Update tv1, which is flexi; occurs check is alrady done
+-- The 'check' version does a kind check too
+-- We do a sub-kind check here: we might unify (a b) with (c d) 
+--     where b::*->* and d::*; this should fail
+
+checkUpdateMeta swapped tv1 ref1 ty2
+  = do { checkKinds swapped tv1 ty2
+       ; updateMeta tv1 ref1 ty2 }
+
+updateMeta :: TcTyVar -> IORef MetaDetails -> TcType -> TcM ()
+updateMeta tv1 ref1 ty2
+  = ASSERT( isMetaTyVar tv1 )
+    ASSERT( isBoxyTyVar tv1 || isTauTy ty2 )
+    do { ASSERTM2( do { details <- readMetaTyVar tv1; return (isFlexi details) }, ppr tv1 )
+       ; traceTc (text "updateMeta" <+> ppr tv1 <+> text ":=" <+> ppr ty2)
+       ; writeMutVar ref1 (Indirect ty2) 
+       }
+
+----------------
+checkKinds swapped tv1 ty2
+-- We're about to unify a type variable tv1 with a non-tyvar-type ty2.
+-- ty2 has been zonked at this stage, which ensures that
+-- its kind has as much boxity information visible as possible.
+  | tk2 `isSubKind` tk1 = returnM ()
+
+  | otherwise
+       -- Either the kinds aren't compatible
+       --      (can happen if we unify (a b) with (c d))
+       -- or we are unifying a lifted type variable with an
+       --      unlifted type: e.g.  (id 3#) is illegal
+  = addErrCtxtM (unifyKindCtxt swapped tv1 ty2)        $
+    unifyKindMisMatch k1 k2
+  where
+    (k1,k2) | swapped   = (tk2,tk1)
+           | otherwise = (tk1,tk2)
+    tk1 = tyVarKind tv1
+    tk2 = typeKind ty2
+
+----------------
+checkTauTvUpdate :: TcTyVar -> TcType -> TcM (Maybe TcType)
+--    (checkTauTvUpdate tv ty)
+-- We are about to update the TauTv tv with ty.
+-- Check (a) that tv doesn't occur in ty (occurs check)
+--      (b) that ty is a monotype
+-- Furthermore, in the interest of (b), if you find an
+-- empty box (BoxTv that is Flexi), fill it in with a TauTv
+-- 
+-- We have three possible outcomes:
+-- (1) Return the (non-boxy) type to update the type variable with, 
+--     [we know the update is ok!]
+-- (2) return Nothing, or 
+--     [we cannot tell whether the update is ok right now]
+-- (3) fails.
+--     [the update is definitely invalid]
+-- We return Nothing in case the tv occurs in ty *under* a type family
+-- application.  In this case, we must not update tv (to avoid a cyclic type
+-- term), but we also cannot fail claiming an infinite type.  Given
+--   type family F a
+--   type instance F Int = Int
+-- consider
+--   a ~ F a
+-- This is perfectly reasonable, if we later get a ~ Int.
+
+checkTauTvUpdate orig_tv orig_ty
+  = do { result <- go orig_ty
+       ; case result of 
+           Right ty    -> return $ Just ty
+           Left  True  -> return $ Nothing
+           Left  False -> occurCheckErr (mkTyVarTy orig_tv) orig_ty
+       }
+  where
+    go :: TcType -> TcM (Either Bool TcType)
+    -- go returns
+    --   Right ty    if everything is fine
+    --   Left True   if orig_tv occurs in orig_ty, but under a type family app
+    --   Left False  if orig_tv occurs in orig_ty (with no type family app)
+    -- It fails if it encounters a forall type, except as an argument for a
+    -- closed type synonym that expands to a tau type.
+    go (TyConApp tc tys)
+       | isSynTyCon tc  = go_syn tc tys
+       | otherwise      = do { tys' <- mappM go tys
+                              ; return $ occurs (TyConApp tc) tys' }
+    go (NoteTy _ ty2)   = go ty2       -- Discard free-tyvar annotations
+    go (PredTy p)       = do { p' <- go_pred p
+                              ; return $ occurs1 PredTy p' }
+    go (FunTy arg res)   = do { arg' <- go arg
+                              ; res' <- go res
+                              ; return $ occurs2 FunTy arg' res' }
+    go (AppTy fun arg)  = do { fun' <- go fun
+                              ; arg' <- go arg
+                              ; return $ occurs2 mkAppTy fun' arg' }
+               -- NB the mkAppTy; we might have instantiated a
+               -- type variable to a type constructor, so we need
+               -- to pull the TyConApp to the top.
+    go (ForAllTy tv ty) = notMonoType orig_ty          -- (b)
+
+    go (TyVarTy tv)
+       | orig_tv == tv = return $ Left False           -- (a)
+       | isTcTyVar tv  = go_tyvar tv (tcTyVarDetails tv)
+       | otherwise     = return $ Right (TyVarTy tv)
+                -- Ordinary (non Tc) tyvars
+                -- occur inside quantified types
+
+    go_pred (ClassP c tys) = do { tys' <- mapM go tys
+                                ; return $ occurs (ClassP c) tys' }
+    go_pred (IParam n ty)  = do { ty' <- go ty
+                                ; return $ occurs1 (IParam n) ty' }
+    go_pred (EqPred t1 t2) = do { t1' <- go t1
+                                ; t2' <- go t2
+                                ; return $ occurs2 EqPred t1' t2' }
+
+    go_tyvar tv (SkolemTv _) = return $ Right (TyVarTy tv)
+    go_tyvar tv (MetaTv box ref)
+       = do { cts <- readMutVar ref
+            ; case cts of
+                 Indirect ty -> go ty 
+                 Flexi -> case box of
+                               BoxTv -> do { ty <- fillBoxWithTau tv ref
+                                            ; return $ Right ty }
+                               other -> return $ Right (TyVarTy tv)
+            }
+
+       -- go_syn is called for synonyms only
+       -- See Note [Type synonyms and the occur check]
+    go_syn tc tys
+       | not (isTauTyCon tc)
+       = notMonoType orig_ty   -- (b) again
+       | otherwise
+       = do { (msgs, mb_tys') <- tryTc (mapM go tys)
+            ; case mb_tys' of
+
+                -- we had a type error => forall in type parameters
+               Nothing 
+                  | isOpenTyCon tc -> notMonoArgs (TyConApp tc tys)
+                       -- Synonym families must have monotype args
+                 | otherwise      -> go (expectJust "checkTauTvUpdate(1)" 
+                                           (tcView (TyConApp tc tys)))
+                       -- Try again, expanding the synonym
+
+                -- no type error, but need to test whether occurs check happend
+               Just tys' -> 
+                  case occurs id tys' of
+                    Left _ 
+                      | isOpenTyCon tc -> return $ Left True
+                        -- Variable occured under type family application
+                      | otherwise      -> go (expectJust "checkTauTvUpdate(2)" 
+                                              (tcView (TyConApp tc tys)))
+                       -- Try again, expanding the synonym
+                    Right raw_tys'     -> return $ Right (TyConApp tc raw_tys')
+                       -- Retain the synonym (the common case)
+            }
+
+    -- Left results (= occurrence of orig_ty) dominate and
+    -- (Left False) (= fatal occurrence) dominates over (Left True)
+    occurs :: ([a] -> b) -> [Either Bool a] -> Either Bool b
+    occurs c = either Left (Right . c) . foldr combine (Right [])
+      where
+        combine (Left famInst1) (Left famInst2) = Left (famInst1 && famInst2)
+        combine (Right _      ) (Left famInst)  = Left famInst
+        combine (Left famInst)  (Right _)       = Left famInst
+        combine (Right arg)     (Right args)    = Right (arg:args)
+
+    occurs1 c x   = occurs (\[x']     -> c x')    [x]
+    occurs2 c x y = occurs (\[x', y'] -> c x' y') [x, y]
+
+fillBoxWithTau :: BoxyTyVar -> IORef MetaDetails -> TcM TcType
+-- (fillBoxWithTau tv ref) fills ref with a freshly allocated 
+--  tau-type meta-variable, whose print-name is the same as tv
+-- Choosing the same name is good: when we instantiate a function
+-- we allocate boxy tyvars with the same print-name as the quantified
+-- tyvar; and then we often fill the box with a tau-tyvar, and again
+-- we want to choose the same name.
+fillBoxWithTau tv ref 
+  = do { tv' <- tcInstTyVar tv         -- Do not gratuitously forget
+       ; let tau = mkTyVarTy tv'       -- name of the type variable
+       ; writeMutVar ref (Indirect tau)
+       ; return tau }
+\end{code}
+
+Note [Type synonyms and the occur check]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Basically we want to update     tv1 := ps_ty2
+because ps_ty2 has type-synonym info, which improves later error messages
+
+But consider 
+       type A a = ()
+
+       f :: (A a -> a -> ()) -> ()
+       f = \ _ -> ()
+
+       x :: ()
+       x = f (\ x p -> p x)
+
+In the application (p x), we try to match "t" with "A t".  If we go
+ahead and bind t to A t (= ps_ty2), we'll lead the type checker into 
+an infinite loop later.
+But we should not reject the program, because A t = ().
+Rather, we should bind t to () (= non_var_ty2).
+
+--------------
+
+Error mesages in case of kind mismatch.
+
+\begin{code}
+unifyKindMisMatch ty1 ty2
+  = zonkTcKind ty1     `thenM` \ ty1' ->
+    zonkTcKind ty2     `thenM` \ ty2' ->
+    let
+       msg = hang (ptext SLIT("Couldn't match kind"))
+                  2 (sep [quotes (ppr ty1'), 
+                          ptext SLIT("against"), 
+                          quotes (ppr ty2')])
+    in
+    failWithTc msg
+
+unifyKindCtxt swapped tv1 ty2 tidy_env -- not swapped => tv1 expected, ty2 inferred
+       -- tv1 and ty2 are zonked already
+  = returnM msg
+  where
+    msg = (env2, ptext SLIT("When matching the kinds of") <+> 
+                sep [quotes pp_expected <+> ptext SLIT("and"), quotes pp_actual])
+
+    (pp_expected, pp_actual) | swapped   = (pp2, pp1)
+                            | otherwise = (pp1, pp2)
+    (env1, tv1') = tidyOpenTyVar tidy_env tv1
+    (env2, ty2') = tidyOpenType  env1 ty2
+    pp1 = ppr tv1' <+> dcolon <+> ppr (tyVarKind tv1)
+    pp2 = ppr ty2' <+> dcolon <+> ppr (typeKind ty2)
+\end{code}
+
+Error message for failure due to an occurs check.
+
+\begin{code}
+occurCheckErr :: TcType -> TcType -> TcM a
+occurCheckErr ty containingTy
+  = do { env0 <- tcInitTidyEnv
+       ; ty'           <- zonkTcType ty
+       ; containingTy' <- zonkTcType containingTy
+       ; let (env1, tidy_ty1) = tidyOpenType env0 ty'
+             (env2, tidy_ty2) = tidyOpenType env1 containingTy'
+             extra = sep [ppr tidy_ty1, char '=', ppr tidy_ty2]
+       ; failWithTcM (env2, hang msg 2 extra) }
+  where
+    msg = ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite type:")
+\end{code}
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
        Kind variables
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
@@ -131,6 +398,9 @@ newCoVars spec
                           (mkCoKind ty1 ty2)
                 | ((ty1,ty2), uniq) <- spec `zip` uniqsFromSupply us] }
 
+newMetaCoVar :: TcType -> TcType -> TcM TcTyVar
+newMetaCoVar ty1 ty2 = newMetaTyVar TauTv (mkCoKind ty1 ty2)
+
 newKindVar :: TcM TcKind
 newKindVar = do        { uniq <- newUnique
                ; ref <- newMutVar Flexi
@@ -162,7 +432,7 @@ tcSkolSigTyVars :: SkolemInfo -> [TyVar] -> [TcTyVar]
 tcSkolSigTyVars info tyvars = [ mkSkolTyVar (tyVarName tv) (tyVarKind tv) info
                              | tv <- tyvars ]
 
-tcInstSkolTyVar :: SkolemInfo -> Maybe SrcLoc -> TyVar -> TcM TcTyVar
+tcInstSkolTyVar :: SkolemInfo -> Maybe SrcSpan -> TyVar -> TcM TcTyVar
 -- Instantiate the tyvar, using 
 --     * the occ-name and kind of the supplied tyvar, 
 --     * the unique from the monad,
@@ -172,7 +442,7 @@ tcInstSkolTyVar info mb_loc tyvar
   = do { uniq <- newUnique
        ; let old_name = tyVarName tyvar
              kind     = tyVarKind tyvar
-             loc      = mb_loc `orElse` getSrcLoc old_name
+             loc      = mb_loc `orElse` getSrcSpan old_name
              new_name = mkInternalName uniq (nameOccName old_name) loc
        ; return (mkSkolTyVar new_name kind info) }
 
@@ -180,7 +450,7 @@ tcInstSkolTyVars :: SkolemInfo -> [TyVar] -> TcM [TcTyVar]
 -- Get the location from the monad
 tcInstSkolTyVars info tyvars 
   = do         { span <- getSrcSpanM
-       ; mapM (tcInstSkolTyVar info (Just (srcSpanStart span))) tyvars }
+       ; mapM (tcInstSkolTyVar info (Just span)) tyvars }
 
 tcInstSkolType :: SkolemInfo -> TcType -> TcM ([TcTyVar], TcThetaType, TcType)
 -- Instantiate a type with fresh skolem constants
@@ -200,7 +470,7 @@ newMetaTyVar :: BoxInfo -> Kind -> TcM TcTyVar
 -- Make a new meta tyvar out of thin air
 newMetaTyVar box_info kind
   = do { uniq <- newUnique
-       ; ref <- newMutVar Flexi ;
+       ; ref <- newMutVar Flexi
        ; let name = mkSysTvName uniq fs 
              fs = case box_info of
                        BoxTv   -> FSLIT("t")
@@ -217,7 +487,7 @@ instMetaTyVar :: BoxInfo -> TyVar -> TcM TcTyVar
 -- come from an existing TyVar
 instMetaTyVar box_info tyvar
   = do { uniq <- newUnique
-       ; ref <- newMutVar Flexi ;
+       ; ref <- newMutVar Flexi
        ; let name = setNameUnique (tyVarName tyvar) uniq
              kind = tyVarKind tyvar
        ; return (mkTcTyVar name kind (MetaTv box_info ref)) }
@@ -237,7 +507,8 @@ writeMetaTyVar tyvar ty
 
   | otherwise
   = ASSERT( isMetaTyVar tyvar )
-    ASSERT2( k2 `isSubKind` k1, (ppr tyvar <+> ppr k1) $$ (ppr ty <+> ppr k2) )
+    -- TOM: It should also work for coercions
+    -- ASSERT2( k2 `isSubKind` k1, (ppr tyvar <+> ppr k1) $$ (ppr ty <+> ppr k2) )
     do { ASSERTM2( do { details <- readMetaTyVar tyvar; return (isFlexi details) }, ppr tyvar )
        ; writeMutVar (metaTvRef tyvar) (Indirect ty) }
   where
@@ -332,7 +603,7 @@ readFilledBox :: BoxyTyVar -> TcM TcType
 readFilledBox box_tv = ASSERT( isBoxyTyVar box_tv )
                       do { cts <- readMetaTyVar box_tv
                          ; case cts of
-                               Flexi       -> pprPanic "readFilledBox" (ppr box_tv)
+                               Flexi -> pprPanic "readFilledBox" (ppr box_tv)
                                Indirect ty -> return ty }
 
 tcInstBoxyTyVar :: TyVar -> TcM BoxyTyVar
@@ -360,13 +631,13 @@ data LookupTyVarResult    -- The result of a lookupTcTyVar call
 
 lookupTcTyVar :: TcTyVar -> TcM LookupTyVarResult
 lookupTcTyVar tyvar 
-  = ASSERT( isTcTyVar tyvar )
+  = ASSERT2( isTcTyVar tyvar, ppr tyvar )
     case details of
       SkolemTv _   -> return (DoneTv details)
       MetaTv _ ref -> do { meta_details <- readMutVar ref
                         ; case meta_details of
                            Indirect ty -> return (IndirectTv ty)
-                           Flexi       -> return (DoneTv details) }
+                           Flexi -> return (DoneTv details) }
   where
     details =  tcTyVarDetails tyvar
 
@@ -423,7 +694,7 @@ zonkTcTyVarsAndFV tyvars = mappM zonkTcTyVar tyvars `thenM` \ tys ->
                           returnM (tyVarsOfTypes tys)
 
 zonkTcTyVar :: TcTyVar -> TcM TcType
-zonkTcTyVar tyvar = ASSERT( isTcTyVar tyvar )
+zonkTcTyVar tyvar = ASSERT2( isTcTyVar tyvar, ppr tyvar)
                    zonk_tc_tyvar (\ tv -> returnM (TyVarTy tv)) tyvar
 \end{code}
 
@@ -485,17 +756,17 @@ zonkTopTyVar tv
     k = tyVarKind tv
     default_k = defaultKind k
 
-zonkQuantifiedTyVars :: [TcTyVar] -> TcM [TyVar]
+zonkQuantifiedTyVars :: [TcTyVar] -> TcM [TcTyVar]
 zonkQuantifiedTyVars = mappM zonkQuantifiedTyVar
 
-zonkQuantifiedTyVar :: TcTyVar -> TcM TyVar
+zonkQuantifiedTyVar :: TcTyVar -> TcM TcTyVar
 -- zonkQuantifiedTyVar is applied to the a TcTyVar when quantifying over it.
 --
 -- The quantified type variables often include meta type variables
 -- we want to freeze them into ordinary type variables, and
 -- default their kind (e.g. from OpenTypeKind to TypeKind)
 --                     -- see notes with Kind.defaultKind
--- The meta tyvar is updated to point to the new regular TyVar.  Now any 
+-- The meta tyvar is updated to point to the new skolem TyVar.  Now any 
 -- bound occurences of the original type variable will get zonked to 
 -- the immutable version.
 --
@@ -509,9 +780,11 @@ zonkQuantifiedTyVar tv
   | otherwise  -- It's a meta-type-variable
   = do { details <- readMetaTyVar tv
 
-       -- Create the new, frozen, regular type variable
+       -- Create the new, frozen, skolem type variable
+        -- We zonk to a skolem, not to a regular TcVar
+        -- See Note [Zonking to Skolem]
        ; let final_kind = defaultKind (tyVarKind tv)
-             final_tv   = mkTyVar (tyVarName tv) final_kind
+             final_tv   = mkSkolTyVar (tyVarName tv) final_kind UnkSkol
 
        -- Bind the meta tyvar to the new tyvar
        ; case details of
@@ -526,8 +799,8 @@ zonkQuantifiedTyVar tv
        ; return final_tv }
 \end{code}
 
-[Silly Type Synonyms]
-
+Note [Silly Type Synonyms]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 Consider this:
        type C u a = u  -- Note 'a' unused
 
@@ -561,6 +834,37 @@ Consider this:
 All very silly.   I think its harmless to ignore the problem.  We'll end up with
 a /\a in the final result but all the occurrences of a will be zonked to ()
 
+Note [Zonking to Skolem]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We used to zonk quantified type variables to regular TyVars.  However, this
+leads to problems.  Consider this program from the regression test suite:
+
+  eval :: Int -> String -> String -> String
+  eval 0 root actual = evalRHS 0 root actual
+
+  evalRHS :: Int -> a
+  evalRHS 0 root actual = eval 0 root actual
+
+It leads to the deferral of an equality
+
+  (String -> String -> String) ~ a
+
+which is propagated up to the toplevel (see TcSimplify.tcSimplifyInferCheck).
+In the meantime `a' is zonked and quantified to form `evalRHS's signature.
+This has the *side effect* of also zonking the `a' in the deferred equality
+(which at this point is being handed around wrapped in an implication
+constraint).
+
+Finally, the equality (with the zonked `a') will be handed back to the
+simplifier by TcRnDriver.tcRnSrcDecls calling TcSimplify.tcSimplifyTop.
+If we zonk `a' with a regular type variable, we will have this regular type
+variable now floating around in the simplifier, which in many places assumes to
+only see proper TcTyVars.
+
+We can avoid this problem by zonking with a skolem.  The skolem is rigid
+(which we requirefor a quantified variable), but is still a TcTyVar that the
+simplifier knows how to deal with.
+
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
@@ -695,9 +999,13 @@ checkValidType :: UserTypeCtxt -> Type -> TcM ()
 -- Checks that the type is valid for the given context
 checkValidType ctxt ty
   = traceTc (text "checkValidType" <+> ppr ty) `thenM_`
-    doptM Opt_GlasgowExts      `thenM` \ gla_exts ->
+    doptM Opt_UnboxedTuples `thenM` \ unboxed ->
+    doptM Opt_Rank2Types       `thenM` \ rank2 ->
+    doptM Opt_RankNTypes       `thenM` \ rankn ->
+    doptM Opt_PolymorphicComponents    `thenM` \ polycomp ->
     let 
-       rank | gla_exts = Arbitrary
+       rank | rankn = Arbitrary
+            | rank2 = Rank 2
             | otherwise
             = case ctxt of     -- Haskell 98
                 GenPatCtxt     -> Rank 0
@@ -708,8 +1016,11 @@ checkValidType ctxt ty
                 TySynCtxt _    -> Rank 0
                 ExprSigCtxt    -> Rank 1
                 FunSigCtxt _   -> Rank 1
-                ConArgCtxt _   -> Rank 1       -- We are given the type of the entire
-                                               -- constructor, hence rank 1
+                ConArgCtxt _   -> if polycomp
+                           then Rank 2
+                                -- We are given the type of the entire
+                                -- constructor, hence rank 1
+                           else Rank 1
                 ForSigCtxt _   -> Rank 1
                 SpecInstCtxt   -> Rank 1
 
@@ -723,14 +1034,10 @@ checkValidType ctxt ty
                        ForSigCtxt _ -> isLiftedTypeKind actual_kind
                        other        -> isSubArgTypeKind    actual_kind
        
-       ubx_tup | not gla_exts = UT_NotOk
-               | otherwise    = case ctxt of
-                                  TySynCtxt _ -> UT_Ok
-                                  ExprSigCtxt -> UT_Ok
-                                  other       -> UT_NotOk
-               -- Unboxed tuples ok in function results,
-               -- but for type synonyms we allow them even at
-               -- top level
+       ubx_tup = case ctxt of
+                     TySynCtxt _ | unboxed -> UT_Ok
+                     ExprSigCtxt | unboxed -> UT_Ok
+                     _                     -> UT_NotOk
     in
        -- Check that the thing has kind Type, and is lifted if necessary
     checkTc kind_ok (kindErr actual_kind)      `thenM_`
@@ -821,36 +1128,30 @@ check_tau_type rank ubx_tup (NoteTy other_note ty)
   = check_tau_type rank ubx_tup ty
 
 check_tau_type rank ubx_tup ty@(TyConApp tc tys)
-  | isSynTyCon tc      
-  = do {       -- It's OK to have an *over-applied* type synonym
+  | isSynTyCon tc
+  = do {       -- Check that the synonym has enough args
+               -- This applies equally to open and closed synonyms
+               -- It's OK to have an *over-applied* type synonym
                --      data Tree a b = ...
                --      type Foo a = Tree [a]
                --      f :: Foo a b -> ...
-       ; case tcView ty of
-            Just ty' -> check_tau_type rank ubx_tup ty'        -- Check expansion
-            Nothing  -> failWithTc arity_msg
-
-       ; gla_exts <- doptM Opt_GlasgowExts
-       ; if gla_exts then
-       -- If -fglasgow-exts then don't check the type arguments
-       -- This allows us to instantiate a synonym defn with a 
-       -- for-all type, or with a partially-applied type synonym.
-       --      e.g.   type T a b = a
-       --             type S m   = m ()
-       --             f :: S (T Int)
-       -- Here, T is partially applied, so it's illegal in H98.
-       -- But if you expand S first, then T we get just 
-       --             f :: Int
-       -- which is fine.
-               returnM ()
-         else
-               -- For H98, do check the type args
+         checkTc (tyConArity tc <= length tys) arity_msg
+
+       -- See Note [Liberal type synonyms]
+       ; liberal <- doptM Opt_LiberalTypeSynonyms
+       ; if not liberal || isOpenSynTyCon tc then
+               -- For H98 and synonym families, do check the type args
                mappM_ check_arg_type tys
-       }
+
+         else  -- In the liberal case (only for closed syns), expand then check
+         case tcView ty of   
+            Just ty' -> check_tau_type rank ubx_tup ty' 
+            Nothing  -> pprPanic "check_tau_type" (ppr ty)
+    }
     
   | isUnboxedTupleTyCon tc
-  = doptM Opt_GlasgowExts                      `thenM` \ gla_exts ->
-    checkTc (ubx_tup_ok gla_exts) ubx_tup_msg  `thenM_`
+  = doptM Opt_UnboxedTuples `thenM` \ ub_tuples_allowed ->
+    checkTc (ubx_tup_ok ub_tuples_allowed) ubx_tup_msg `thenM_`
     mappM_ (check_tau_type (Rank 0) UT_Ok) tys 
                -- Args are allowed to be unlifted, or
                -- more unboxed tuples, so can't use check_arg_ty
@@ -859,7 +1160,7 @@ check_tau_type rank ubx_tup ty@(TyConApp tc tys)
   = mappM_ check_arg_type tys
 
   where
-    ubx_tup_ok gla_exts = case ubx_tup of { UT_Ok -> gla_exts; other -> False }
+    ubx_tup_ok ub_tuples_allowed = case ubx_tup of { UT_Ok -> ub_tuples_allowed; other -> False }
 
     n_args    = length tys
     tc_arity  = tyConArity tc
@@ -874,6 +1175,33 @@ ubxArgTyErr     ty = ptext SLIT("Illegal unboxed tuple type as function argument
 kindErr kind       = ptext SLIT("Expecting an ordinary type, but found a type of kind") <+> ppr kind
 \end{code}
 
+Note [Liberal type synonyms]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+If -XLiberalTypeSynonyms is on, expand closed type synonyms *before*
+doing validity checking.  This allows us to instantiate a synonym defn
+with a for-all type, or with a partially-applied type synonym.
+       e.g.   type T a b = a
+              type S m   = m ()
+              f :: S (T Int)
+Here, T is partially applied, so it's illegal in H98.  But if you
+expand S first, then T we get just
+              f :: Int
+which is fine.
+
+IMPORTANT: suppose T is a type synonym.  Then we must do validity
+checking on an appliation (T ty1 ty2)
+
+       *either* before expansion (i.e. check ty1, ty2)
+       *or* after expansion (i.e. expand T ty1 ty2, and then check)
+       BUT NOT BOTH
+
+If we do both, we get exponential behaviour!!
+
+  data TIACons1 i r c = c i ::: r c
+  type TIACons2 t x = TIACons1 t (TIACons1 t x)
+  type TIACons3 t x = TIACons2 t (TIACons1 t x)
+  type TIACons4 t x = TIACons2 t (TIACons2 t x)
+  type TIACons7 t x = TIACons4 t (TIACons3 t x)
 
 
 %************************************************************************
@@ -924,26 +1252,40 @@ check_valid_theta ctxt theta
     (_,dups) = removeDups tcCmpPred theta
 
 -------------------------
+check_pred_ty :: DynFlags -> SourceTyCtxt -> PredType -> TcM ()
 check_pred_ty dflags ctxt pred@(ClassP cls tys)
-  =    -- Class predicates are valid in all contexts
-    checkTc (arity == n_tys) arity_err         `thenM_`
-
-       -- Check the form of the argument types
-    mappM_ check_arg_type tys                          `thenM_`
-    checkTc (check_class_pred_tys dflags ctxt tys)
-           (predTyVarErr pred $$ how_to_allow)
-
+  = do {       -- Class predicates are valid in all contexts
+       ; checkTc (arity == n_tys) arity_err
+
+               -- Check the form of the argument types
+       ; mappM_ check_arg_type tys
+       ; checkTc (check_class_pred_tys dflags ctxt tys)
+                (predTyVarErr pred $$ how_to_allow)
+       }
   where
     class_name = className cls
     arity      = classArity cls
     n_tys      = length tys
     arity_err  = arityErr "Class" class_name arity n_tys
-    how_to_allow = parens (ptext SLIT("Use -fglasgow-exts to permit this"))
+    how_to_allow = parens (ptext SLIT("Use -XFlexibleContexts to permit this"))
+
+check_pred_ty dflags ctxt pred@(EqPred ty1 ty2)
+  = do {       -- Equational constraints are valid in all contexts if type
+               -- families are permitted
+       ; checkTc (dopt Opt_TypeFamilies dflags) (eqPredTyErr pred)
+
+               -- Check the form of the argument types
+       ; check_eq_arg_type ty1
+       ; check_eq_arg_type ty2
+       }
+  where 
+    check_eq_arg_type = check_poly_type (Rank 0) UT_NotOk
 
 check_pred_ty dflags SigmaCtxt (IParam _ ty) = check_arg_type ty
-       -- Implicit parameters only allows in type
+       -- Implicit parameters only allowed in type
        -- signatures; not in instance decls, superclasses etc
-       -- The reason for not allowing implicit params in instances is a bit subtle
+       -- The reason for not allowing implicit params in instances is a bit
+       -- subtle.
        -- If we allowed        instance (?x::Int, Eq a) => Foo [a] where ...
        -- then when we saw (e :: (?x::Int) => t) it would be unclear how to 
        -- discharge all the potential usas of the ?x in e.   For example, a
@@ -954,16 +1296,17 @@ check_pred_ty dflags SigmaCtxt (IParam _ ty) = check_arg_type ty
 check_pred_ty dflags ctxt sty = failWithTc (badPredTyErr sty)
 
 -------------------------
+check_class_pred_tys :: DynFlags -> SourceTyCtxt -> [Type] -> Bool
 check_class_pred_tys dflags ctxt tys 
   = case ctxt of
        TypeCtxt      -> True   -- {-# SPECIALISE instance Eq (T Int) #-} is fine
-       InstThetaCtxt -> gla_exts || undecidable_ok || all tcIsTyVarTy tys
+       InstThetaCtxt -> flexible_contexts || undecidable_ok || all tcIsTyVarTy tys
                                -- Further checks on head and theta in
                                -- checkInstTermination
-       other         -> gla_exts || all tyvar_head tys
+       other         -> flexible_contexts || all tyvar_head tys
   where
-    gla_exts       = dopt Opt_GlasgowExts dflags
-    undecidable_ok = dopt Opt_AllowUndecidableInstances dflags
+    flexible_contexts = dopt Opt_FlexibleContexts dflags
+    undecidable_ok = dopt Opt_UndecidableInstances dflags
 
 -------------------------
 tyvar_head ty                  -- Haskell 98 allows predicates of form 
@@ -1004,6 +1347,7 @@ If the list of tv_names is empty, we have a monotype, and then we
 don't need to check for ambiguity either, because the test can't fail
 (see is_ambig).
 
+
 \begin{code}
 checkAmbiguity :: [TyVar] -> ThetaType -> TyVarSet -> TcM ()
 checkAmbiguity forall_tyvars theta tau_tyvars
@@ -1012,11 +1356,7 @@ checkAmbiguity forall_tyvars theta tau_tyvars
     complain pred     = addErrTc (ambigErr pred)
     extended_tau_vars = grow theta tau_tyvars
 
-       -- Only a *class* predicate can give rise to ambiguity
-       -- An *implicit parameter* cannot.  For example:
-       --      foo :: (?x :: [a]) => Int
-       --      foo = length ?x
-       -- is fine.  The call site will suppply a particular 'x'
+       -- See Note [Implicit parameters and ambiguity] in TcSimplify
     is_ambig pred     = isClassPred  pred &&
                        any ambig_var (varSetElems (tyVarsOfPred pred))
 
@@ -1036,9 +1376,8 @@ even in a scope where b is in scope.
 
 \begin{code}
 checkFreeness forall_tyvars theta
-  = do { gla_exts <- doptM Opt_GlasgowExts
-       ; if gla_exts then return ()    -- New!  Oct06
-         else mappM_ complain (filter is_free theta) }
+  = do { flexible_contexts <- doptM Opt_FlexibleContexts
+       ; unless flexible_contexts $ mappM_ complain (filter is_free theta) }
   where    
     is_free pred     =  not (isIPPred pred)
                     && not (any bound_var (varSetElems (tyVarsOfPred pred)))
@@ -1046,10 +1385,13 @@ checkFreeness forall_tyvars theta
     complain pred    = addErrTc (freeErr pred)
 
 freeErr pred
-  = sep [ptext SLIT("All of the type variables in the constraint") <+> quotes (pprPred pred) <+>
-                  ptext SLIT("are already in scope"),
-        nest 4 (ptext SLIT("(at least one must be universally quantified here)"))
-    ]
+  = sep [ ptext SLIT("All of the type variables in the constraint") <+> 
+          quotes (pprPred pred)
+       , ptext SLIT("are already in scope") <+>
+          ptext SLIT("(at least one must be universally quantified here)")
+       , nest 4 $
+            ptext SLIT("(Use -XFlexibleContexts to lift this restriction)")
+        ]
 \end{code}
 
 \begin{code}
@@ -1058,6 +1400,9 @@ checkThetaCtxt ctxt theta
          ptext SLIT("While checking") <+> pprSourceTyCtxt ctxt ]
 
 badPredTyErr sty = ptext SLIT("Illegal constraint") <+> pprPred sty
+eqPredTyErr  sty = ptext SLIT("Illegal equational constraint") <+> pprPred sty
+                  $$
+                  parens (ptext SLIT("Use -XTypeFamilies to permit this"))
 predTyVarErr pred  = sep [ptext SLIT("Non type-variable argument"),
                          nest 2 (ptext SLIT("in the constraint:") <+> pprPred pred)]
 dupPredWarn dups   = ptext SLIT("Duplicate constraint(s):") <+> pprWithCommas pprPred (map head dups)
@@ -1069,6 +1414,21 @@ arityErr kind name n m
        n_arguments | n == 0 = ptext SLIT("no arguments")
                    | n == 1 = ptext SLIT("1 argument")
                    | True   = hsep [int n, ptext SLIT("arguments")]
+
+-----------------
+notMonoType ty
+  = do { ty' <- zonkTcType ty
+       ; env0 <- tcInitTidyEnv
+       ; let (env1, tidy_ty) = tidyOpenType env0 ty'
+             msg = ptext SLIT("Cannot match a monotype with") <+> quotes (ppr tidy_ty)
+       ; failWithTcM (env1, msg) }
+
+notMonoArgs ty
+  = do { ty' <- zonkTcType ty
+       ; env0 <- tcInitTidyEnv
+       ; let (env1, tidy_ty) = tidyOpenType env0 ty'
+             msg = ptext SLIT("Arguments of type synonym families must be monotypes") <+> quotes (ppr tidy_ty)
+       ; failWithTcM (env1, msg) }
 \end{code}
 
 
@@ -1107,19 +1467,30 @@ checkValidInstHead ty   -- Should be a source type
 
 check_inst_head dflags clas tys
        -- If GlasgowExts then check at least one isn't a type variable
-  | dopt Opt_GlasgowExts dflags
-  = mapM_ check_one tys
-
-       -- WITH HASKELL 98, MUST HAVE C (T a b c)
-  | otherwise
-  = checkTc (isSingleton tys && tcValidInstHeadTy first_ty)
-           (instTypeErr (pprClassPred clas tys) head_shape_msg)
-
+  = do checkTc (dopt Opt_TypeSynonymInstances dflags ||
+                all tcInstHeadTyNotSynonym tys)
+               (instTypeErr (pprClassPred clas tys) head_type_synonym_msg)
+       checkTc (dopt Opt_FlexibleInstances dflags ||
+                all tcInstHeadTyAppAllTyVars tys)
+               (instTypeErr (pprClassPred clas tys) head_type_args_tyvars_msg)
+       checkTc (dopt Opt_MultiParamTypeClasses dflags ||
+                isSingleton tys)
+               (instTypeErr (pprClassPred clas tys) head_one_type_msg)
+       mapM_ check_one tys
   where
-    (first_ty : _) = tys
+    head_type_synonym_msg = parens (
+                text "All instance types must be of the form (T t1 ... tn)" $$
+                text "where T is not a synonym." $$
+                text "Use -XTypeSynonymInstances if you want to disable this.")
+
+    head_type_args_tyvars_msg = parens (
+                text "All instance types must be of the form (T a1 ... an)" $$
+                text "where a1 ... an are distinct type *variables*" $$
+                text "Use -XFlexibleInstances if you want to disable this.")
 
-    head_shape_msg = parens (text "The instance type must be of form (T a b c)" $$
-                            text "where T is not a synonym, and a,b,c are distinct type variables")
+    head_one_type_msg = parens (
+                text "Only one type can be given in an instance head." $$
+                text "Use -XMultiParamTypeClasses if you want to allow more.")
 
        -- For now, I only allow tau-types (not polytypes) in 
        -- the head of an instance decl.  
@@ -1145,16 +1516,16 @@ instTypeErr pp_ty msg
 \begin{code}
 checkValidInstance :: [TyVar] -> ThetaType -> Class -> [TcType] -> TcM ()
 checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
-  = do { gla_exts <- doptM Opt_GlasgowExts
-       ; undecidable_ok <- doptM Opt_AllowUndecidableInstances
+  = do { undecidable_ok <- doptM Opt_UndecidableInstances
 
        ; checkValidTheta InstThetaCtxt theta
        ; checkAmbiguity tyvars theta (tyVarsOfTypes inst_tys)
 
        -- Check that instance inference will terminate (if we care)
-       -- For Haskell 98, checkValidTheta has already done that
-       ; when (gla_exts && not undecidable_ok) $
-         mapM_ failWithTc (checkInstTermination inst_tys theta)
+       -- For Haskell 98 this will already have been done by checkValidTheta,
+        -- but as we may be using other extensions we need to check.
+       ; unless undecidable_ok $
+         mapM_ addErrTc (checkInstTermination inst_tys theta)
        
        -- The Coverage Condition
        ; checkTc (undecidable_ok || checkInstCoverage clas inst_tys)
@@ -1165,7 +1536,11 @@ checkValidInstance tyvars theta clas inst_tys
                         undecidableMsg])
 \end{code}
 
-Termination test: each assertion in the context satisfies
+Termination test: the so-called "Paterson conditions" (see Section 5 of
+"Understanding functionsl dependencies via Constraint Handling Rules, 
+JFP Jan 2007).
+
+We check that each assertion in the context satisfies:
  (1) no variable has more occurrences in the assertion than in the head, and
  (2) the assertion has fewer constructors and variables (taken together
      and counting repetitions) than the head.
@@ -1199,7 +1574,166 @@ predUndecErr pred msg = sep [msg,
 nomoreMsg = ptext SLIT("Variable occurs more often in a constraint than in the instance head")
 smallerMsg = ptext SLIT("Constraint is no smaller than the instance head")
 undecidableMsg = ptext SLIT("Use -fallow-undecidable-instances to permit this")
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+       Checking the context of a derived instance declaration
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+Note [Exotic derived instance contexts]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+In a 'derived' instance declaration, we *infer* the context.  It's a
+bit unclear what rules we should apply for this; the Haskell report is
+silent.  Obviously, constraints like (Eq a) are fine, but what about
+       data T f a = MkT (f a) deriving( Eq )
+where we'd get an Eq (f a) constraint.  That's probably fine too.
+
+One could go further: consider
+       data T a b c = MkT (Foo a b c) deriving( Eq )
+       instance (C Int a, Eq b, Eq c) => Eq (Foo a b c)
+
+Notice that this instance (just) satisfies the Paterson termination 
+conditions.  Then we *could* derive an instance decl like this:
+
+       instance (C Int a, Eq b, Eq c) => Eq (T a b c) 
+
+even though there is no instance for (C Int a), because there just
+*might* be an instance for, say, (C Int Bool) at a site where we
+need the equality instance for T's.  
+
+However, this seems pretty exotic, and it's quite tricky to allow
+this, and yet give sensible error messages in the (much more common)
+case where we really want that instance decl for C.
+
+So for now we simply require that the derived instance context
+should have only type-variable constraints.
+
+Here is another example:
+       data Fix f = In (f (Fix f)) deriving( Eq )
+Here, if we are prepared to allow -fallow-undecidable-instances we
+could derive the instance
+       instance Eq (f (Fix f)) => Eq (Fix f)
+but this is so delicate that I don't think it should happen inside
+'deriving'. If you want this, write it yourself!
+
+NB: if you want to lift this condition, make sure you still meet the
+termination conditions!  If not, the deriving mechanism generates
+larger and larger constraints.  Example:
+  data Succ a = S a
+  data Seq a = Cons a (Seq (Succ a)) | Nil deriving Show
+
+Note the lack of a Show instance for Succ.  First we'll generate
+  instance (Show (Succ a), Show a) => Show (Seq a)
+and then
+  instance (Show (Succ (Succ a)), Show (Succ a), Show a) => Show (Seq a)
+and so on.  Instead we want to complain of no instance for (Show (Succ a)).
+
+The bottom line
+~~~~~~~~~~~~~~~
+Allow constraints which consist only of type variables, with no repeats.
 
+\begin{code}
+validDerivPred :: PredType -> Bool
+validDerivPred (ClassP cls tys) = hasNoDups fvs && sizeTypes tys == length fvs
+                               where fvs = fvTypes tys
+validDerivPred otehr           = False
+\end{code}
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+       Checking type instance well-formedness and termination
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
+-- Check that a "type instance" is well-formed (which includes decidability
+-- unless -fallow-undecidable-instances is given).
+--
+checkValidTypeInst :: [Type] -> Type -> TcM ()
+checkValidTypeInst typats rhs
+  = do { -- left-hand side contains no type family applications
+         -- (vanilla synonyms are fine, though)
+       ; mappM_ checkTyFamFreeness typats
+
+         -- the right-hand side is a tau type
+       ; checkTc (isTauTy rhs) $ 
+          polyTyErr rhs
+
+         -- we have a decidable instance unless otherwise permitted
+       ; undecidable_ok <- doptM Opt_UndecidableInstances
+       ; unless undecidable_ok $
+          mapM_ addErrTc (checkFamInst typats (tyFamInsts rhs))
+       }
+
+-- Make sure that each type family instance is 
+--   (1) strictly smaller than the lhs,
+--   (2) mentions no type variable more often than the lhs, and
+--   (3) does not contain any further type family instances.
+--
+checkFamInst :: [Type]                  -- lhs
+             -> [(TyCon, [Type])]       -- type family instances
+             -> [Message]
+checkFamInst lhsTys famInsts
+  = mapCatMaybes check famInsts
+  where
+   size = sizeTypes lhsTys
+   fvs  = fvTypes lhsTys
+   check (tc, tys)
+      | not (all isTyFamFree tys)
+      = Just (famInstUndecErr famInst nestedMsg $$ parens undecidableMsg)
+      | not (null (fvTypes tys \\ fvs))
+      = Just (famInstUndecErr famInst nomoreVarMsg $$ parens undecidableMsg)
+      | size <= sizeTypes tys
+      = Just (famInstUndecErr famInst smallerAppMsg $$ parens undecidableMsg)
+      | otherwise
+      = Nothing
+      where
+        famInst = TyConApp tc tys
+
+-- Ensure that no type family instances occur in a type.
+--
+checkTyFamFreeness :: Type -> TcM ()
+checkTyFamFreeness ty
+  = checkTc (isTyFamFree ty) $
+      tyFamInstInIndexErr ty
+
+-- Check that a type does not contain any type family applications.
+--
+isTyFamFree :: Type -> Bool
+isTyFamFree = null . tyFamInsts
+
+-- Error messages
+
+tyFamInstInIndexErr ty
+  = hang (ptext SLIT("Illegal type family application in type instance") <> 
+         colon) 4 $
+      ppr ty
+
+polyTyErr ty 
+  = hang (ptext SLIT("Illegal polymorphic type in type instance") <> colon) 4 $
+      ppr ty
+
+famInstUndecErr ty msg 
+  = sep [msg, 
+         nest 2 (ptext SLIT("in the type family application:") <+> 
+                 pprType ty)]
+
+nestedMsg     = ptext SLIT("Nested type family application")
+nomoreVarMsg  = ptext SLIT("Variable occurs more often than in instance head")
+smallerAppMsg = ptext SLIT("Application is no smaller than the instance head")
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Auxiliary functions}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
 -- Free variables of a type, retaining repetitions, and expanding synonyms
 fvType :: Type -> [TyVar]
 fvType ty | Just exp_ty <- tcView ty = fvType exp_ty