[project @ 2004-01-12 15:47:50 by simonpj]
[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / typecheck / TcUnify.lhs
index a9aa01e..c13cff6 100644 (file)
 %
 % (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 1992-1998
 %
-\section[Unify]{Unifier}
-
-The unifier is now squarely in the typechecker monad (because of the
-updatable substitution).
+\section{Type subsumption and unification}
 
 \begin{code}
-module TcUnify ( unifyTauTy, unifyTauTyList, unifyTauTyLists, 
-                unifyFunTy, unifyListTy, unifyTupleTy,
-                unifyKind, unifyKinds, unifyOpenTypeKind
- ) where
+module TcUnify (
+       -- Full-blown subsumption
+  tcSubOff, tcSubExp, tcGen, 
+  checkSigTyVars, checkSigTyVarsWrt, sigCtxt, findGlobals,
+
+       -- Various unifications
+  unifyTauTy, unifyTauTyList, unifyTauTyLists, 
+  unifyKind, unifyKinds, unifyFunKind, 
+  checkExpectedKind,
+
+  --------------------------------
+  -- Holes
+  Expected(..), newHole, readExpectedType, 
+  zapExpectedType, zapExpectedTo, zapExpectedBranches,
+  subFunTys,           unifyFunTy, 
+  zapToListTy,         unifyListTy, 
+  zapToPArrTy,         unifyPArrTy, 
+  zapToTupleTy, unifyTupleTy
+
+  ) where
 
 #include "HsVersions.h"
 
--- friends: 
-import TcMonad
-import TypeRep ( Type(..) )  -- friend
-import Type    ( funTyCon, Kind, unboxedTypeKind, boxedTypeKind, openTypeKind, 
-                 superBoxity, typeCon, openKindCon, hasMoreBoxityInfo, 
-                 tyVarsOfType, typeKind,
-                 mkTyVarTy, mkFunTy, splitFunTy_maybe, splitTyConApp_maybe,
-                  isNotUsgTy, splitAppTy_maybe, mkTyConApp, 
-                 tidyOpenType, tidyOpenTypes, tidyTyVar
-               )
-import TyCon   ( TyCon, isTupleTyCon, tupleTyConBoxity, tyConArity )
-import Name    ( hasBetterProv )
-import Var     ( TyVar, tyVarKind, varName, isSigTyVar )
-import VarSet  ( varSetElems )
-import TcType  ( TcType, TcTauType, TcTyVar, TcKind, newBoxityVar,
-                 newTyVarTy, newTyVarTys, tcGetTyVar, tcPutTyVar, zonkTcType
-               )
-
--- others:
-import BasicTypes ( Arity, Boxity, isBoxed )
-import TysWiredIn ( listTyCon, mkListTy, mkTupleTy )
+
+import HsSyn           ( HsExpr(..) )
+import TcHsSyn         ( mkHsLet, mkHsDictLam,
+                         ExprCoFn, idCoercion, isIdCoercion, mkCoercion, (<.>), (<$>) )
+import TypeRep         ( Type(..), PredType(..), TyNote(..) )
+
+import TcRnMonad         -- TcType, amongst others
+import TcType          ( TcKind, TcType, TcSigmaType, TcRhoType, TcTyVar, TcTauType,
+                         TcTyVarSet, TcThetaType, TyVarDetails(SigTv),
+                         isTauTy, isSigmaTy, mkFunTys, mkTyConApp,
+                         tcSplitAppTy_maybe, tcSplitTyConApp_maybe, 
+                         tcGetTyVar_maybe, tcGetTyVar, 
+                         mkFunTy, tyVarsOfType, mkPhiTy,
+                         typeKind, tcSplitFunTy_maybe, mkForAllTys,
+                         isSkolemTyVar, isUserTyVar, 
+                         tidyOpenType, tidyOpenTypes, tidyOpenTyVar, tidyOpenTyVars,
+                         allDistinctTyVars, pprType )
+import Kind            ( Kind(..), SimpleKind, KindVar, isArgTypeKind,
+                         openTypeKind, liftedTypeKind, mkArrowKind, 
+                         isOpenTypeKind, argTypeKind, isLiftedTypeKind, isUnliftedTypeKind,
+                         isSubKind, pprKind, splitKindFunTys )
+import Inst            ( newDicts, instToId, tcInstCall )
+import TcMType         ( getTcTyVar, putTcTyVar, tcInstType, newKindVar,
+                         newTyVarTy, newTyVarTys, zonkTcKind,
+                         zonkTcType, zonkTcTyVars, zonkTcTyVarsAndFV, 
+                         readKindVar,writeKindVar )
+import TcSimplify      ( tcSimplifyCheck )
+import TysWiredIn      ( listTyCon, parrTyCon, tupleTyCon )
+import TcEnv           ( tcGetGlobalTyVars, findGlobals )
+import TyCon           ( TyCon, tyConArity, isTupleTyCon, tupleTyConBoxity )
+import Id              ( Id, mkSysLocal )
+import Var             ( Var, varName, tyVarKind )
+import VarSet          ( emptyVarSet, unitVarSet, unionVarSet, elemVarSet, varSetElems )
+import VarEnv
+import Name            ( isSystemName )
+import ErrUtils                ( Message )
+import SrcLoc          ( noLoc )
+import BasicTypes      ( Boxity, Arity, isBoxed )
+import Util            ( equalLength, lengthExceeds, notNull )
 import Outputable
 \end{code}
 
+Notes on holes
+~~~~~~~~~~~~~~
+* A hole is always filled in with an ordinary type, not another hole.
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
-\subsection{The Kind variants}
+\subsection{'hole' type variables}
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
 \begin{code}
-unifyKind :: TcKind                -- Expected
-         -> TcKind                 -- Actual
-         -> TcM s ()
-unifyKind k1 k2 
-  = tcAddErrCtxtM (unifyCtxt "kind" k1 k2) $
-    uTys k1 k1 k2 k2
-
-unifyKinds :: [TcKind] -> [TcKind] -> TcM s ()
-unifyKinds []       []       = returnTc ()
-unifyKinds (k1:ks1) (k2:ks2) = unifyKind k1 k2         `thenTc_`
-                              unifyKinds ks1 ks2
-unifyKinds _ _ = panic "unifyKinds: length mis-match"
+data Expected ty = Infer (TcRef ty)    -- The hole to fill in for type inference
+                | Check ty             -- The type to check during type checking
+
+newHole :: TcM (TcRef ty)
+newHole = newMutVar (error "Empty hole in typechecker")
+
+readExpectedType :: Expected ty -> TcM ty
+readExpectedType (Infer hole) = readMutVar hole
+readExpectedType (Check ty)   = returnM ty
+
+zapExpectedType :: Expected TcType -> Kind -> TcM TcTauType
+-- In the inference case, ensure we have a monotype
+-- (including an unboxed tuple)
+zapExpectedType (Infer hole) kind
+  = do { ty <- newTyVarTy kind ;
+        writeMutVar hole ty ;
+        return ty }
+
+zapExpectedType (Check ty) kind 
+  | typeKind ty `isSubKind` kind = return ty
+  | otherwise                   = do { ty1 <- newTyVarTy kind
+                                     ; unifyTauTy ty1 ty
+                                     ; return ty }
+       -- The unify is to ensure that 'ty' has the desired kind
+       -- For example, in (case e of r -> b) we push an OpenTypeKind
+       -- type variable 
+
+zapExpectedTo :: Expected TcType -> TcTauType -> TcM ()
+zapExpectedTo (Infer hole) ty2 = writeMutVar hole ty2
+zapExpectedTo (Check ty1)  ty2 = unifyTauTy ty1 ty2
+
+zapExpectedBranches :: [a] -> Expected TcType -> TcM (Expected TcType)
+-- Zap the expected type to a monotype if there is more than one branch
+zapExpectedBranches branches exp_ty
+  | lengthExceeds branches 1 = zapExpectedType exp_ty openTypeKind     `thenM` \ exp_ty' -> 
+                              return (Check exp_ty')
+  | otherwise               = returnM exp_ty           
+
+instance Outputable ty => Outputable (Expected ty) where
+  ppr (Check ty)   = ptext SLIT("Expected type") <+> ppr ty
+  ppr (Infer hole) = ptext SLIT("Inferring type")
+\end{code}                
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection[Unify-fun]{@unifyFunTy@}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+@subFunTy@ and @unifyFunTy@ is used to avoid the fruitless 
+creation of type variables.
+
+* subFunTy is used when we might be faced with a "hole" type variable,
+  in which case we should create two new holes. 
+
+* unifyFunTy is used when we expect to encounter only "ordinary" 
+  type variables, so we should create new ordinary type variables
+
+\begin{code}
+subFunTys :: [pat]
+        -> Expected TcRhoType  -- Fail if ty isn't a function type
+        -> ([(pat, Expected TcRhoType)] -> Expected TcRhoType -> TcM a)
+        -> TcM a
+
+subFunTys pats (Infer hole) thing_inside
+  =    -- This is the interesting case
+    mapM new_pat_hole pats     `thenM` \ pats_w_holes ->
+    newHole                    `thenM` \ res_hole ->
+
+       -- Do the business
+    thing_inside pats_w_holes (Infer res_hole) `thenM` \ answer ->
+
+       -- Extract the answers
+    mapM read_pat_hole pats_w_holes    `thenM` \ arg_tys ->
+    readMutVar res_hole                        `thenM` \ res_ty ->
+
+       -- Write the answer into the incoming hole
+    writeMutVar hole (mkFunTys arg_tys res_ty) `thenM_` 
+
+       -- And return the answer
+    returnM answer
+  where
+    new_pat_hole pat = newHole `thenM` \ hole -> return (pat, Infer hole)
+    read_pat_hole (pat, Infer hole) = readMutVar hole
+
+subFunTys pats (Check ty) thing_inside
+  = go pats ty         `thenM` \ (pats_w_tys, res_ty) ->
+    thing_inside pats_w_tys res_ty
+  where
+    go []         ty = return ([], Check ty)
+    go (pat:pats) ty = unifyFunTy ty   `thenM` \ (arg,res) ->
+                      go pats res      `thenM` \ (pats_w_tys, final_res) ->
+                      return ((pat, Check arg) : pats_w_tys, final_res)
+                
+unifyFunTy :: TcRhoType                        -- Fail if ty isn't a function type
+          -> TcM (TcType, TcType)      -- otherwise return arg and result types
+
+unifyFunTy ty@(TyVarTy tyvar)
+  = getTcTyVar tyvar   `thenM` \ maybe_ty ->
+    case maybe_ty of
+       Just ty' -> unifyFunTy ty'
+       Nothing  -> unify_fun_ty_help ty
+
+unifyFunTy ty
+  = case tcSplitFunTy_maybe ty of
+       Just arg_and_res -> returnM arg_and_res
+       Nothing          -> unify_fun_ty_help ty
+
+unify_fun_ty_help ty   -- Special cases failed, so revert to ordinary unification
+  = newTyVarTy argTypeKind     `thenM` \ arg ->
+    newTyVarTy openTypeKind    `thenM` \ res ->
+    unifyTauTy ty (mkFunTy arg res)    `thenM_`
+    returnM (arg,res)
 \end{code}
 
 \begin{code}
-unifyOpenTypeKind :: TcKind -> TcM s ()        
--- Ensures that the argument kind is of the form (Type bx)
--- for some boxity bx
+----------------------
+zapToListTy, zapToPArrTy :: Expected TcType -- expected list type
+                        -> TcM TcType      -- list element type
+unifyListTy, unifyPArrTy :: TcType -> TcM TcType
+zapToListTy = zapToXTy listTyCon
+unifyListTy = unifyXTy listTyCon
+zapToPArrTy = zapToXTy parrTyCon
+unifyPArrTy = unifyXTy parrTyCon
+
+----------------------
+zapToXTy :: TyCon              -- T :: *->*
+        -> Expected TcType     -- Expected type (T a)
+        -> TcM TcType          -- Element type, a
+
+zapToXTy tc (Check ty)   = unifyXTy tc ty
+zapToXTy tc (Infer hole) = do { elt_ty <- newTyVarTy liftedTypeKind ;
+                               writeMutVar hole (mkTyConApp tc [elt_ty]) ;
+                               return elt_ty }
+
+----------------------
+unifyXTy :: TyCon -> TcType -> TcM TcType
+unifyXTy tc ty@(TyVarTy tyvar)
+  = getTcTyVar tyvar   `thenM` \ maybe_ty ->
+    case maybe_ty of
+       Just ty' -> unifyXTy tc ty'
+       other    -> unify_x_ty_help tc ty
+
+unifyXTy tc ty
+  = case tcSplitTyConApp_maybe ty of
+       Just (tycon, [arg_ty]) | tycon == tc -> returnM arg_ty
+       other                                -> unify_x_ty_help tc ty
+
+unify_x_ty_help tc ty  -- Revert to ordinary unification
+  = newTyVarTy liftedTypeKind                  `thenM` \ elt_ty ->
+    unifyTauTy ty (mkTyConApp tc [elt_ty])     `thenM_`
+    returnM elt_ty
+\end{code}
+
+\begin{code}
+----------------------
+zapToTupleTy :: Boxity -> Arity -> Expected TcType -> TcM [TcType]
+zapToTupleTy boxity arity (Check ty)   = unifyTupleTy boxity arity ty
+zapToTupleTy boxity arity (Infer hole) = do { (tup_ty, arg_tys) <- new_tuple_ty boxity arity ;
+                                             writeMutVar hole tup_ty ;
+                                             return arg_tys }
 
-unifyOpenTypeKind ty@(TyVarTy tyvar)
-  = tcGetTyVar tyvar   `thenNF_Tc` \ maybe_ty ->
+unifyTupleTy boxity arity ty@(TyVarTy tyvar)
+  = getTcTyVar tyvar   `thenM` \ maybe_ty ->
     case maybe_ty of
-       Just ty' -> unifyOpenTypeKind ty'
-       other    -> unify_open_kind_help ty
+       Just ty' -> unifyTupleTy boxity arity ty'
+       other    -> unify_tuple_ty_help boxity arity ty
 
-unifyOpenTypeKind ty
-  = case splitTyConApp_maybe ty of
-       Just (tycon, [_]) | tycon == typeCon -> returnTc ()
-       other                                -> unify_open_kind_help ty
+unifyTupleTy boxity arity ty
+  = case tcSplitTyConApp_maybe ty of
+       Just (tycon, arg_tys)
+               |  isTupleTyCon tycon 
+               && tyConArity tycon == arity
+               && tupleTyConBoxity tycon == boxity
+               -> returnM arg_tys
+       other -> unify_tuple_ty_help boxity arity ty
 
-unify_open_kind_help ty        -- Revert to ordinary unification
-  = newBoxityVar       `thenNF_Tc` \ boxity ->
-    unifyKind ty (mkTyConApp typeCon [boxity])
+unify_tuple_ty_help boxity arity ty
+  = new_tuple_ty boxity arity  `thenM` \ (tup_ty, arg_tys) ->
+    unifyTauTy ty tup_ty       `thenM_`
+    returnM arg_tys
+
+new_tuple_ty boxity arity
+  = newTyVarTys arity kind     `thenM` \ arg_tys ->
+    return (mkTyConApp tup_tc arg_tys, arg_tys)
+  where
+    tup_tc = tupleTyCon boxity arity
+    kind | isBoxed boxity = liftedTypeKind
+        | otherwise      = argTypeKind         -- Components of an unboxed tuple
+                                               -- can be unboxed, but not unboxed tuples
 \end{code}
 
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
+\subsection{Subsumption}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+All the tcSub calls have the form
+       
+               tcSub expected_ty offered_ty
+which checks
+               offered_ty <= expected_ty
+
+That is, that a value of type offered_ty is acceptable in
+a place expecting a value of type expected_ty.
+
+It returns a coercion function 
+       co_fn :: offered_ty -> expected_ty
+which takes an HsExpr of type offered_ty into one of type
+expected_ty.
+
+\begin{code}
+tcSubExp :: Expected TcRhoType -> TcRhoType  -> TcM ExprCoFn
+tcSubOff :: TcSigmaType  -> Expected TcSigmaType -> TcM ExprCoFn
+\end{code}
+
+These two check for holes
+
+\begin{code}
+tcSubExp expected_ty offered_ty
+  = traceTc (text "tcSubExp" <+> (ppr expected_ty $$ ppr offered_ty))  `thenM_`
+    checkHole expected_ty offered_ty tcSub
+
+tcSubOff expected_ty offered_ty
+  = checkHole offered_ty expected_ty (\ off exp -> tcSub exp off)
+
+-- checkHole looks for a hole in its first arg; 
+-- If so, and it is uninstantiated, it fills in the hole 
+--       with its second arg
+-- Otherwise it calls thing_inside, passing the two args, looking
+-- through any instantiated hole
+
+checkHole (Infer hole) other_ty thing_inside
+  = do { writeMutVar hole other_ty; return idCoercion }
+
+checkHole (Check ty) other_ty thing_inside 
+  = thing_inside ty other_ty
+\end{code}
+
+No holes expected now.  Add some error-check context info.
+
+\begin{code}
+tcSub :: TcSigmaType -> TcSigmaType -> TcM ExprCoFn    -- Locally used only
+tcSub expected_ty actual_ty
+  = traceTc (text "tcSub" <+> details)         `thenM_`
+    addErrCtxtM (unifyCtxt "type" expected_ty actual_ty)
+               (tc_sub expected_ty expected_ty actual_ty actual_ty)
+  where
+    details = vcat [text "Expected:" <+> ppr expected_ty,
+                   text "Actual:  " <+> ppr actual_ty]
+\end{code}
+
+tc_sub carries the types before and after expanding type synonyms
+
+\begin{code}
+tc_sub :: TcSigmaType          -- expected_ty, before expanding synonyms
+       -> TcSigmaType          --              ..and after
+       -> TcSigmaType          -- actual_ty, before
+       -> TcSigmaType          --              ..and after
+       -> TcM ExprCoFn
+
+-----------------------------------
+-- Expand synonyms
+tc_sub exp_sty (NoteTy _ exp_ty) act_sty act_ty = tc_sub exp_sty exp_ty act_sty act_ty
+tc_sub exp_sty exp_ty act_sty (NoteTy _ act_ty) = tc_sub exp_sty exp_ty act_sty act_ty
+
+-----------------------------------
+-- Generalisation case
+--     actual_ty:   d:Eq b => b->b
+--     expected_ty: forall a. Ord a => a->a
+--     co_fn e      /\a. \d2:Ord a. let d = eqFromOrd d2 in e
+
+-- It is essential to do this *before* the specialisation case
+-- Example:  f :: (Eq a => a->a) -> ...
+--          g :: Ord b => b->b
+-- Consider  f g !
+
+tc_sub exp_sty expected_ty act_sty actual_ty
+  | isSigmaTy expected_ty
+  = tcGen expected_ty (tyVarsOfType actual_ty) (
+       -- It's really important to check for escape wrt the free vars of
+       -- both expected_ty *and* actual_ty
+       \ body_exp_ty -> tc_sub body_exp_ty body_exp_ty act_sty actual_ty
+    )                          `thenM` \ (gen_fn, co_fn) ->
+    returnM (gen_fn <.> co_fn)
+
+-----------------------------------
+-- Specialisation case:
+--     actual_ty:   forall a. Ord a => a->a
+--     expected_ty: Int -> Int
+--     co_fn e =    e Int dOrdInt
+
+tc_sub exp_sty expected_ty act_sty actual_ty
+  | isSigmaTy actual_ty
+  = tcInstCall Rank2Origin actual_ty           `thenM` \ (inst_fn, body_ty) ->
+    tc_sub exp_sty expected_ty body_ty body_ty `thenM` \ co_fn ->
+    returnM (co_fn <.> inst_fn)
+
+-----------------------------------
+-- Function case
+
+tc_sub _ (FunTy exp_arg exp_res) _ (FunTy act_arg act_res)
+  = tcSub_fun exp_arg exp_res act_arg act_res
+
+-----------------------------------
+-- Type variable meets function: imitate
+--
+-- NB 1: we can't just unify the type variable with the type
+--      because the type might not be a tau-type, and we aren't
+--      allowed to instantiate an ordinary type variable with
+--      a sigma-type
+--
+-- NB 2: can we short-cut to an error case?
+--      when the arg/res is not a tau-type?
+-- NO!  e.g.   f :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Int
+--     then   x = (f,f)
+--     is perfectly fine, because we can instantiat f's type to a monotype
+--
+-- However, we get can get jolly unhelpful error messages.  
+--     e.g.    foo = id runST
+--
+--    Inferred type is less polymorphic than expected
+--     Quantified type variable `s' escapes
+--     Expected type: ST s a -> t
+--     Inferred type: (forall s1. ST s1 a) -> a
+--    In the first argument of `id', namely `runST'
+--    In a right-hand side of function `foo': id runST
+--
+-- I'm not quite sure what to do about this!
+
+tc_sub exp_sty exp_ty@(FunTy exp_arg exp_res) _ (TyVarTy tv)
+  = getTcTyVar tv      `thenM` \ maybe_ty ->
+    case maybe_ty of
+       Just ty -> tc_sub exp_sty exp_ty ty ty
+       Nothing -> imitateFun tv exp_sty        `thenM` \ (act_arg, act_res) ->
+                  tcSub_fun exp_arg exp_res act_arg act_res
+
+tc_sub _ (TyVarTy tv) act_sty act_ty@(FunTy act_arg act_res)
+  = getTcTyVar tv      `thenM` \ maybe_ty ->
+    case maybe_ty of
+       Just ty -> tc_sub ty ty act_sty act_ty
+       Nothing -> imitateFun tv act_sty        `thenM` \ (exp_arg, exp_res) ->
+                  tcSub_fun exp_arg exp_res act_arg act_res
+
+-----------------------------------
+-- Unification case
+-- If none of the above match, we revert to the plain unifier
+tc_sub exp_sty expected_ty act_sty actual_ty
+  = uTys exp_sty expected_ty act_sty actual_ty `thenM_`
+    returnM idCoercion
+\end{code}    
+    
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Functions}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
+tcSub_fun exp_arg exp_res act_arg act_res
+  = tc_sub act_arg act_arg exp_arg exp_arg     `thenM` \ co_fn_arg ->
+    tc_sub exp_res exp_res act_res act_res     `thenM` \ co_fn_res ->
+    newUnique                                  `thenM` \ uniq ->
+    let
+       -- co_fn_arg :: HsExpr exp_arg -> HsExpr act_arg
+       -- co_fn_res :: HsExpr act_res -> HsExpr exp_res
+       -- co_fn     :: HsExpr (act_arg -> act_res) -> HsExpr (exp_arg -> exp_res)
+       arg_id = mkSysLocal FSLIT("sub") uniq exp_arg
+       coercion | isIdCoercion co_fn_arg,
+                  isIdCoercion co_fn_res = idCoercion
+                | otherwise              = mkCoercion co_fn
+
+       co_fn e = DictLam [arg_id] 
+                    (noLoc (co_fn_res <$> (HsApp (noLoc e) (noLoc (co_fn_arg <$> HsVar arg_id)))))
+               -- Slight hack; using a "DictLam" to get an ordinary simple lambda
+               --      HsVar arg_id :: HsExpr exp_arg
+               --      co_fn_arg $it :: HsExpr act_arg
+               --      HsApp e $it   :: HsExpr act_res
+               --      co_fn_res $it :: HsExpr exp_res
+    in
+    returnM coercion
+
+imitateFun :: TcTyVar -> TcType -> TcM (TcType, TcType)
+imitateFun tv ty
+  =    -- NB: tv is an *ordinary* tyvar and so are the new ones
+
+       -- Check that tv isn't a type-signature type variable
+       -- (This would be found later in checkSigTyVars, but
+       --  we get a better error message if we do it here.)
+    checkM (not (isSkolemTyVar tv))
+          (failWithTcM (unifyWithSigErr tv ty))        `thenM_`
+
+    newTyVarTy argTypeKind             `thenM` \ arg ->
+    newTyVarTy openTypeKind            `thenM` \ res ->
+    putTcTyVar tv (mkFunTy arg res)    `thenM_`
+    returnM (arg,res)
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Generalisation}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
+tcGen :: TcSigmaType                           -- expected_ty
+      -> TcTyVarSet                            -- Extra tyvars that the universally
+                                               --      quantified tyvars of expected_ty
+                                               --      must not be unified
+      -> (TcRhoType -> TcM result)             -- spec_ty
+      -> TcM (ExprCoFn, result)
+       -- The expression has type: spec_ty -> expected_ty
+
+tcGen expected_ty extra_tvs thing_inside       -- We expect expected_ty to be a forall-type
+                                               -- If not, the call is a no-op
+  = tcInstType SigTv expected_ty       `thenM` \ (forall_tvs, theta, phi_ty) ->
+
+       -- Type-check the arg and unify with poly type
+    getLIE (thing_inside phi_ty)       `thenM` \ (result, lie) ->
+
+       -- Check that the "forall_tvs" havn't been constrained
+       -- The interesting bit here is that we must include the free variables
+       -- of the expected_ty.  Here's an example:
+       --       runST (newVar True)
+       -- Here, if we don't make a check, we'll get a type (ST s (MutVar s Bool))
+       -- for (newVar True), with s fresh.  Then we unify with the runST's arg type
+       -- forall s'. ST s' a. That unifies s' with s, and a with MutVar s Bool.
+       -- So now s' isn't unconstrained because it's linked to a.
+       -- Conclusion: include the free vars of the expected_ty in the
+       -- list of "free vars" for the signature check.
+
+    newDicts SignatureOrigin theta                     `thenM` \ dicts ->
+    tcSimplifyCheck sig_msg forall_tvs dicts lie       `thenM` \ inst_binds ->
+
+#ifdef DEBUG
+    zonkTcTyVars forall_tvs `thenM` \ forall_tys ->
+    traceTc (text "tcGen" <+> vcat [text "extra_tvs" <+> ppr extra_tvs,
+                                   text "expected_ty" <+> ppr expected_ty,
+                                   text "inst ty" <+> ppr forall_tvs <+> ppr theta <+> ppr phi_ty,
+                                   text "free_tvs" <+> ppr free_tvs,
+                                   text "forall_tys" <+> ppr forall_tys])      `thenM_`
+#endif
+
+    checkSigTyVarsWrt free_tvs forall_tvs              `thenM` \ zonked_tvs ->
+
+    traceTc (text "tcGen:done") `thenM_`
+
+    let
+           -- This HsLet binds any Insts which came out of the simplification.
+           -- It's a bit out of place here, but using AbsBind involves inventing
+           -- a couple of new names which seems worse.
+       dict_ids = map instToId dicts
+       co_fn e  = TyLam zonked_tvs (mkHsDictLam dict_ids (mkHsLet inst_binds (noLoc e)))
+    in
+    returnM (mkCoercion co_fn, result)
+  where
+    free_tvs = tyVarsOfType expected_ty `unionVarSet` extra_tvs
+    sig_msg  = ptext SLIT("expected type of an expression")
+\end{code}    
+
+    
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
 \subsection[Unify-exported]{Exported unification functions}
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
@@ -94,9 +558,13 @@ non-exported generic functions.
 Unify two @TauType@s.  Dead straightforward.
 
 \begin{code}
-unifyTauTy :: TcTauType -> TcTauType -> TcM s ()
+unifyTauTy :: TcTauType -> TcTauType -> TcM ()
 unifyTauTy ty1 ty2     -- ty1 expected, ty2 inferred
-  = tcAddErrCtxtM (unifyCtxt "type" ty1 ty2) $
+  =    -- The unifier should only ever see tau-types 
+       -- (no quantification whatsoever)
+    ASSERT2( isTauTy ty1, ppr ty1 )
+    ASSERT2( isTauTy ty2, ppr ty2 )
+    addErrCtxtM (unifyCtxt "type" ty1 ty2) $
     uTys ty1 ty1 ty2 ty2
 \end{code}
 
@@ -106,9 +574,9 @@ of equal length.  We charge down the list explicitly so that we can
 complain if their lengths differ.
 
 \begin{code}
-unifyTauTyLists :: [TcTauType] -> [TcTauType] ->  TcM s ()
-unifyTauTyLists []          []         = returnTc ()
-unifyTauTyLists (ty1:tys1) (ty2:tys2) = uTys ty1 ty1 ty2 ty2   `thenTc_`
+unifyTauTyLists :: [TcTauType] -> [TcTauType] ->  TcM ()
+unifyTauTyLists []          []         = returnM ()
+unifyTauTyLists (ty1:tys1) (ty2:tys2) = uTys ty1 ty1 ty2 ty2   `thenM_`
                                        unifyTauTyLists tys1 tys2
 unifyTauTyLists ty1s ty2s = panic "Unify.unifyTauTyLists: mismatched type lists!"
 \end{code}
@@ -118,10 +586,10 @@ all together.  It is used, for example, when typechecking explicit
 lists, when all the elts should be of the same type.
 
 \begin{code}
-unifyTauTyList :: [TcTauType] -> TcM s ()
-unifyTauTyList []               = returnTc ()
-unifyTauTyList [ty]             = returnTc ()
-unifyTauTyList (ty1:tys@(ty2:_)) = unifyTauTy ty1 ty2  `thenTc_`
+unifyTauTyList :: [TcTauType] -> TcM ()
+unifyTauTyList []               = returnM ()
+unifyTauTyList [ty]             = returnM ()
+unifyTauTyList (ty1:tys@(ty2:_)) = unifyTauTy ty1 ty2  `thenM_`
                                   unifyTauTyList tys
 \end{code}
 
@@ -145,51 +613,51 @@ uTys :: TcTauType -> TcTauType    -- Error reporting ty1 and real ty1
 
      -> TcTauType -> TcTauType -- Error reporting ty2 and real ty2
                                -- ty2 is the *actual* type
-     -> TcM s ()
+     -> TcM ()
 
        -- Always expand synonyms (see notes at end)
-        -- (this also throws away FTVs and usage annots)
-uTys ps_ty1 (NoteTy _ ty1) ps_ty2 ty2 = uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 ty2
-uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 (NoteTy _ ty2) = uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 ty2
+        -- (this also throws away FTVs)
+uTys ps_ty1 (NoteTy n1 ty1) ps_ty2 ty2 = uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 ty2
+uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 (NoteTy n2 ty2) = uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 ty2
 
        -- Variables; go for uVar
 uTys ps_ty1 (TyVarTy tyvar1) ps_ty2 ty2 = uVar False tyvar1 ps_ty2 ty2
 uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 (TyVarTy tyvar2) = uVar True  tyvar2 ps_ty1 ty1
                                        -- "True" means args swapped
 
+       -- Predicates
+uTys _ (PredTy (IParam n1 t1)) _ (PredTy (IParam n2 t2))
+  | n1 == n2 = uTys t1 t1 t2 t2
+uTys _ (PredTy (ClassP c1 tys1)) _ (PredTy (ClassP c2 tys2))
+  | c1 == c2 = unifyTauTyLists tys1 tys2
+
        -- Functions; just check the two parts
 uTys _ (FunTy fun1 arg1) _ (FunTy fun2 arg2)
-  = uTys fun1 fun1 fun2 fun2   `thenTc_`    uTys arg1 arg1 arg2 arg2
+  = uTys fun1 fun1 fun2 fun2   `thenM_`    uTys arg1 arg1 arg2 arg2
+
+       -- NewType constructors must match
+uTys _ (NewTcApp tc1 tys1) _ (NewTcApp tc2 tys2)
+  | tc1 == tc2 = unifyTauTyLists tys1 tys2
 
-       -- Type constructors must match
+       -- Ordinary type constructors must match
 uTys ps_ty1 (TyConApp con1 tys1) ps_ty2 (TyConApp con2 tys2)
-  | con1 == con2 && length tys1 == length tys2
+  | con1 == con2 && equalLength tys1 tys2
   = unifyTauTyLists tys1 tys2
 
-  | con1 == openKindCon
-       -- When we are doing kind checking, we might match a kind '?' 
-       -- against a kind '*' or '#'.  Notably, CCallable :: ? -> *, and
-       -- (CCallable Int) and (CCallable Int#) are both OK
-  = unifyOpenTypeKind ps_ty2
-
-  | otherwise
-  = unifyMisMatch ps_ty1 ps_ty2
-
-
        -- Applications need a bit of care!
        -- They can match FunTy and TyConApp, so use splitAppTy_maybe
        -- NB: we've already dealt with type variables and Notes,
        -- so if one type is an App the other one jolly well better be too
 uTys ps_ty1 (AppTy s1 t1) ps_ty2 ty2
-  = case splitAppTy_maybe ty2 of
-       Just (s2,t2) -> uTys s1 s1 s2 s2        `thenTc_`    uTys t1 t1 t2 t2
+  = case tcSplitAppTy_maybe ty2 of
+       Just (s2,t2) -> uTys s1 s1 s2 s2        `thenM_`    uTys t1 t1 t2 t2
        Nothing      -> unifyMisMatch ps_ty1 ps_ty2
 
        -- Now the same, but the other way round
        -- Don't swap the types, because the error messages get worse
 uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 (AppTy s2 t2)
-  = case splitAppTy_maybe ty1 of
-       Just (s1,t1) -> uTys s1 s1 s2 s2        `thenTc_`    uTys t1 t1 t2 t2
+  = case tcSplitAppTy_maybe ty1 of
+       Just (s1,t1) -> uTys s1 s1 s2 s2        `thenM_`    uTys t1 t1 t2 t2
        Nothing      -> unifyMisMatch ps_ty1 ps_ty2
 
        -- Not expecting for-alls in unification
@@ -200,20 +668,21 @@ uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 (AppTy s2 t2)
 uTys ps_ty1 ty1 ps_ty2 ty2  = unifyMisMatch ps_ty1 ps_ty2
 \end{code}
 
+
 Notes on synonyms
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~
 If you are tempted to make a short cut on synonyms, as in this
 pseudocode...
 
 \begin{verbatim}
-uTys (SynTy con1 args1 ty1) (SynTy con2 args2 ty2)
-  = if (con1 == con2) then
-       -- Good news!  Same synonym constructors, so we can shortcut
-       -- by unifying their arguments and ignoring their expansions.
-       unifyTauTypeLists args1 args2
-    else
-       -- Never mind.  Just expand them and try again
-       uTys ty1 ty2
+-- NO  uTys (SynTy con1 args1 ty1) (SynTy con2 args2 ty2)
+-- NO     = if (con1 == con2) then
+-- NO  -- Good news!  Same synonym constructors, so we can shortcut
+-- NO  -- by unifying their arguments and ignoring their expansions.
+-- NO  unifyTauTypeLists args1 args2
+-- NO    else
+-- NO  -- Never mind.  Just expand them and try again
+-- NO  uTys ty1 ty2
 \end{verbatim}
 
 then THINK AGAIN.  Here is the whole story, as detected and reported
@@ -268,111 +737,94 @@ uVar :: Bool             -- False => tyvar is the "expected"
                        -- True  => ty    is the "expected" thing
      -> TcTyVar
      -> TcTauType -> TcTauType -- printing and real versions
-     -> TcM s ()
+     -> TcM ()
 
 uVar swapped tv1 ps_ty2 ty2
-  = tcGetTyVar tv1     `thenNF_Tc` \ maybe_ty1 ->
+  = traceTc (text "uVar" <+> ppr swapped <+> ppr tv1 <+> (ppr ps_ty2 $$ ppr ty2))      `thenM_`
+    getTcTyVar tv1     `thenM` \ maybe_ty1 ->
     case maybe_ty1 of
        Just ty1 | swapped   -> uTys ps_ty2 ty2 ty1 ty1 -- Swap back
                 | otherwise -> uTys ty1 ty1 ps_ty2 ty2 -- Same order
-       other       -> uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ps_ty2 ty2
+       other       -> uUnboundVar swapped tv1 ps_ty2 ty2
 
-       -- Expand synonyms; ignore FTVs; ignore usage annots
-uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ps_ty2 (NoteTy _ ty2)
-  = uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ps_ty2 ty2
+       -- Expand synonyms; ignore FTVs
+uUnboundVar swapped tv1 ps_ty2 (NoteTy n2 ty2)
+  = uUnboundVar swapped tv1 ps_ty2 ty2
 
 
        -- The both-type-variable case
-uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ps_ty2 ty2@(TyVarTy tv2)
+uUnboundVar swapped tv1 ps_ty2 ty2@(TyVarTy tv2)
 
        -- Same type variable => no-op
   | tv1 == tv2
-  = returnTc ()
+  = returnM ()
 
        -- Distinct type variables
-       -- ASSERT maybe_ty1 /= Just
   | otherwise
-  = tcGetTyVar tv2     `thenNF_Tc` \ maybe_ty2 ->
+  = getTcTyVar tv2     `thenM` \ maybe_ty2 ->
     case maybe_ty2 of
-       Just ty2' -> uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ty2' ty2'
+       Just ty2' -> uUnboundVar swapped tv1 ty2' ty2'
 
-       Nothing | tv1_dominates_tv2 
+       Nothing | update_tv2
+               -- It should always be the case that either k1 <: k2 or k2 <: k1
+               -- Reason: a type variable never gets the kinds (#) or #
 
-               -> WARN( not (k1 `hasMoreBoxityInfo` k2), (ppr tv1 <+> ppr k1) $$ (ppr tv2 <+> ppr k2) )
-                  tcPutTyVar tv2 (TyVarTy tv1)         `thenNF_Tc_`
-                  returnTc ()
-               |  otherwise
+               -> ASSERT2( k1 `isSubKind` k2, (ppr tv1 <+> ppr k1) $$ (ppr tv2 <+> ppr k2) )
+                  putTcTyVar tv2 (TyVarTy tv1)         `thenM_`
+                  returnM ()
 
-               -> WARN( not (k2 `hasMoreBoxityInfo` k1), (ppr tv2 <+> ppr k2) $$ (ppr tv1 <+> ppr k1) )
-                   (ASSERT( isNotUsgTy ps_ty2 )
-                   tcPutTyVar tv1 ps_ty2               `thenNF_Tc_`
-                   returnTc ())
+               |  otherwise
+               -> ASSERT2( k2 `isSubKind` k1, (ppr tv2 <+> ppr k2) $$ (ppr tv1 <+> ppr k1) )
+                   putTcTyVar tv1 ps_ty2               `thenM_`
+                  returnM ()
   where
     k1 = tyVarKind tv1
     k2 = tyVarKind tv2
-    tv1_dominates_tv2 =    isSigTyVar tv1 
+    update_tv2 = k1 `isSubKind` k2 && (k1 /= k2 || nicer_to_update_tv2)
+       -- Update the variable with least kind info
+       -- See notes on type inference in Kind.lhs
+       -- The "nicer to" part only applies if the two kinds are the same,
+       -- so we can choose which to do.
+
+    nicer_to_update_tv2 =  isUserTyVar tv1
                                -- Don't unify a signature type variable if poss
-                       || k2 == openTypeKind
-                               -- Try to get rid of open type variables as soon as poss
-                       || varName tv1 `hasBetterProv` varName tv2 
+                       || isSystemName (varName tv2)
                                -- Try to update sys-y type variables in preference to sig-y ones
 
        -- Second one isn't a type variable
-uUnboundVar swapped tv1 maybe_ty1 ps_ty2 non_var_ty2
-  = checkKinds swapped tv1 non_var_ty2                 `thenTc_`
-    occur_check non_var_ty2                            `thenTc_`
-    ASSERT( isNotUsgTy ps_ty2 )
-    checkTcM (not (isSigTyVar tv1))
-            (failWithTcM (unifyWithSigErr tv1 ps_ty2)) `thenTc_`
-
-    warnTc (not (typeKind non_var_ty2 `hasMoreBoxityInfo` tyVarKind tv1))
-          ((ppr tv1 <+> ppr (tyVarKind tv1)) $$ 
-            (ppr non_var_ty2 <+> ppr (typeKind non_var_ty2)))          `thenNF_Tc_` 
-
-    tcPutTyVar tv1 non_var_ty2                         `thenNF_Tc_`
-       -- This used to say "ps_ty2" instead of "non_var_ty2"
-
-       -- But that led to an infinite loop in the type checker!
-       -- Consider 
-       --      type A a = ()
-       --
-       --      f :: (A a -> a -> ()) -> ()
-       --      f = \ _ -> ()
-       --
-       --      x :: ()
-       --      x = f (\ x p -> p x)
-       --
-       -- Here, we try to match "t" with "A t", and succeed
-       -- because the unifier looks through synonyms.  The occurs
-       -- check doesn't kick in because we are "really" binding "t" to "()",
-       -- but we *actually* bind "t" to "A t" if we store ps_ty2.
-       -- That leads the typechecker into an infinite loop later.
-
-    returnTc ()
-  where
-    occur_check ty = mapTc occur_check_tv (varSetElems (tyVarsOfType ty))      `thenTc_`
-                    returnTc ()
-
-    occur_check_tv tv2
-       | tv1 == tv2            -- Same tyvar; fail
-       = zonkTcType ps_ty2     `thenNF_Tc` \ zonked_ty2 ->
-        failWithTcM (unifyOccurCheck tv1 zonked_ty2)
-
-       | otherwise             -- A different tyvar
-       = tcGetTyVar tv2        `thenNF_Tc` \ maybe_ty2 ->
-        case maybe_ty2 of
-               Just ty2' -> occur_check ty2'
-               other     -> returnTc ()
+uUnboundVar swapped tv1 ps_ty2 non_var_ty2
+  =    -- Check that tv1 isn't a type-signature type variable
+    checkM (not (isSkolemTyVar tv1))
+          (failWithTcM (unifyWithSigErr tv1 ps_ty2))   `thenM_`
+
+       -- Do the occurs check, and check that we are not
+       -- unifying a type variable with a polytype
+       -- Returns a zonked type ready for the update
+    checkValue tv1 ps_ty2 non_var_ty2  `thenM` \ ty2 ->
+
+       -- Check that the kinds match
+    checkKinds swapped tv1 ty2         `thenM_`
+
+       -- Perform the update
+    putTcTyVar tv1 ty2                 `thenM_`
+    returnM ()
+\end{code}
 
+\begin{code}
 checkKinds swapped tv1 ty2
 -- We're about to unify a type variable tv1 with a non-tyvar-type ty2.
--- We need to check that we don't unify a boxed type variable with an
--- unboxed type: e.g.  (id 3#) is illegal
-  | tk1 == boxedTypeKind && tk2 == unboxedTypeKind
-  = tcAddErrCtxtM (unifyKindCtxt swapped tv1 ty2)      $
-    unifyMisMatch k1 k2
+-- 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
-  = returnTc ()
+       -- 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)
@@ -380,85 +832,207 @@ checkKinds swapped tv1 ty2
     tk2 = typeKind ty2
 \end{code}
 
+\begin{code}
+checkValue tv1 ps_ty2 non_var_ty2
+-- Do the occurs check, and check that we are not
+-- unifying a type variable with a polytype
+-- Return the type to update the type variable with, or fail
+
+-- 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).
+-- 
+-- That's why we have this two-state occurs-check
+  = zonkTcType ps_ty2                  `thenM` \ ps_ty2' ->
+    case okToUnifyWith tv1 ps_ty2' of {
+       Nothing -> returnM ps_ty2' ;    -- Success
+       other ->
+
+    zonkTcType non_var_ty2             `thenM` \ non_var_ty2' ->
+    case okToUnifyWith tv1 non_var_ty2' of
+       Nothing ->      -- This branch rarely succeeds, except in strange cases
+                       -- like that in the example above
+                   returnM non_var_ty2'
+
+       Just problem -> failWithTcM (unifyCheck problem tv1 ps_ty2')
+    }
+
+data Problem = OccurCheck | NotMonoType
+
+okToUnifyWith :: TcTyVar -> TcType -> Maybe Problem
+-- (okToUnifyWith tv ty) checks whether it's ok to unify
+--     tv :=: ty
+-- Nothing => ok
+-- Just p  => not ok, problem p
+
+okToUnifyWith tv ty
+  = ok ty
+  where
+    ok (TyVarTy tv') | tv == tv' = Just OccurCheck
+                    | otherwise = Nothing
+    ok (AppTy t1 t2)                   = ok t1 `and` ok t2
+    ok (FunTy t1 t2)                   = ok t1 `and` ok t2
+    ok (TyConApp _ ts)                 = oks ts
+    ok (NewTcApp _ ts)                 = oks ts
+    ok (ForAllTy _ _)                  = Just NotMonoType
+    ok (PredTy st)             = ok_st st
+    ok (NoteTy (FTVNote _) t)   = ok t
+    ok (NoteTy (SynNote t1) t2) = ok t1 `and` ok t2
+               -- Type variables may be free in t1 but not t2
+               -- A forall may be in t2 but not t1
+
+    oks ts = foldr (and . ok) Nothing ts
+
+    ok_st (ClassP _ ts) = oks ts
+    ok_st (IParam _ t)  = ok t
+
+    Nothing `and` m = m
+    Just p  `and` m = Just p
+\end{code}
+
 
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
-\subsection[Unify-fun]{@unifyFunTy@}
+               Kind unification
 %*                                                                     *
 %************************************************************************
 
-@unifyFunTy@ is used to avoid the fruitless creation of type variables.
+Unifying kinds is much, much simpler than unifying types.
 
 \begin{code}
-unifyFunTy :: TcType                           -- Fail if ty isn't a function type
-          -> TcM s (TcType, TcType)    -- otherwise return arg and result types
-
-unifyFunTy ty@(TyVarTy tyvar)
-  = tcGetTyVar tyvar   `thenNF_Tc` \ maybe_ty ->
-    case maybe_ty of
-       Just ty' -> unifyFunTy ty'
-       other       -> unify_fun_ty_help ty
-
-unifyFunTy ty
-  = case splitFunTy_maybe ty of
-       Just arg_and_res -> returnTc arg_and_res
-       Nothing          -> unify_fun_ty_help ty
-
-unify_fun_ty_help ty   -- Special cases failed, so revert to ordinary unification
-  = newTyVarTy openTypeKind    `thenNF_Tc` \ arg ->
-    newTyVarTy openTypeKind    `thenNF_Tc` \ res ->
-    unifyTauTy ty (mkFunTy arg res)    `thenTc_`
-    returnTc (arg,res)
-\end{code}
-
-\begin{code}
-unifyListTy :: TcType              -- expected list type
-           -> TcM s TcType      -- list element type
-
-unifyListTy ty@(TyVarTy tyvar)
-  = tcGetTyVar tyvar   `thenNF_Tc` \ maybe_ty ->
-    case maybe_ty of
-       Just ty' -> unifyListTy ty'
-       other       -> unify_list_ty_help ty
-
-unifyListTy ty
-  = case splitTyConApp_maybe ty of
-       Just (tycon, [arg_ty]) | tycon == listTyCon -> returnTc arg_ty
-       other                                       -> unify_list_ty_help ty
-
-unify_list_ty_help ty  -- Revert to ordinary unification
-  = newTyVarTy boxedTypeKind           `thenNF_Tc` \ elt_ty ->
-    unifyTauTy ty (mkListTy elt_ty)    `thenTc_`
-    returnTc elt_ty
+unifyKind :: TcKind                -- Expected
+         -> TcKind                 -- Actual
+         -> TcM ()
+unifyKind LiftedTypeKind   LiftedTypeKind   = returnM ()
+unifyKind UnliftedTypeKind UnliftedTypeKind = returnM ()
+
+unifyKind OpenTypeKind k2 | isOpenTypeKind k2 = returnM ()
+unifyKind ArgTypeKind  k2 | isArgTypeKind k2    = returnM ()
+  -- Respect sub-kinding
+
+unifyKind (FunKind a1 r1) (FunKind a2 r2)
+ = do { unifyKind a2 a1; unifyKind r1 r2 }
+               -- Notice the flip in the argument,
+               -- so that the sub-kinding works right
+
+unifyKind (KindVar kv1) k2 = uKVar False kv1 k2
+unifyKind k1 (KindVar kv2) = uKVar True kv2 k1
+unifyKind k1 k2 = unifyKindMisMatch k1 k2
+
+unifyKinds :: [TcKind] -> [TcKind] -> TcM ()
+unifyKinds []       []       = returnM ()
+unifyKinds (k1:ks1) (k2:ks2) = unifyKind k1 k2         `thenM_`
+                              unifyKinds ks1 ks2
+unifyKinds _ _                      = panic "unifyKinds: length mis-match"
+
+----------------
+uKVar :: Bool -> KindVar -> TcKind -> TcM ()
+uKVar swapped kv1 k2
+  = do         { mb_k1 <- readKindVar kv1
+       ; case mb_k1 of
+           Nothing -> uUnboundKVar swapped kv1 k2
+           Just k1 | swapped   -> unifyKind k2 k1
+                   | otherwise -> unifyKind k1 k2 }
+
+----------------
+uUnboundKVar :: Bool -> KindVar -> TcKind -> TcM ()
+uUnboundKVar swapped kv1 k2@(KindVar kv2)
+  | kv1 == kv2 = returnM ()
+  | otherwise  -- Distinct kind variables
+  = do { mb_k2 <- readKindVar kv2
+       ; case mb_k2 of
+           Just k2 -> uUnboundKVar swapped kv1 k2
+           Nothing -> writeKindVar kv1 k2 }
+
+uUnboundKVar swapped kv1 non_var_k2
+  = do { k2' <- zonkTcKind non_var_k2
+       ; kindOccurCheck kv1 k2'
+       ; k2'' <- kindSimpleKind swapped k2'
+               -- KindVars must be bound only to simple kinds
+               -- Polarities: (kindSimpleKind True ?) succeeds 
+               -- returning *, corresponding to unifying
+               --      expected: ?
+               --      actual:   kind-ver
+       ; writeKindVar kv1 k2'' }
+
+----------------
+kindOccurCheck kv1 k2  -- k2 is zonked
+  = checkTc (not_in k2) (kindOccurCheckErr kv1 k2)
+  where
+    not_in (KindVar kv2)   = kv1 /= kv2
+    not_in (FunKind a2 r2) = not_in a2 && not_in r2
+    not_in other          = True
+
+kindSimpleKind :: Bool -> Kind -> TcM SimpleKind
+-- (kindSimpleKind True k) returns a simple kind sk such that sk <: k
+-- If the flag is False, it requires k <: sk
+-- E.g.        kindSimpleKind False ?? = *
+-- What about (kv -> *) :=: ?? -> *
+kindSimpleKind orig_swapped orig_kind
+  = go orig_swapped orig_kind
+  where
+    go sw (FunKind k1 k2) = do { k1' <- go (not sw) k1
+                              ; k2' <- go sw k2
+                              ; return (FunKind k1' k2') }
+    go True OpenTypeKind = return liftedTypeKind
+    go True ArgTypeKind  = return liftedTypeKind
+    go sw LiftedTypeKind  = return liftedTypeKind
+    go sw k@(KindVar _)          = return k    -- KindVars are always simple
+    go swapped kind = failWithTc (ptext SLIT("Unexpected kind unification failure:")
+                                 <+> ppr orig_swapped <+> ppr orig_kind)
+       -- I think this can't actually happen
+
+-- T v = MkT v          v must be a type 
+-- T v w = MkT (v -> w)         v must not be an umboxed tuple
+
+----------------
+kindOccurCheckErr tyvar ty
+  = hang (ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite kind:"))
+       2 (sep [ppr tyvar, char '=', ppr ty])
+
+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
 \end{code}
 
 \begin{code}
-unifyTupleTy :: Boxity -> Arity -> TcType -> TcM s [TcType]
-unifyTupleTy boxity arity ty@(TyVarTy tyvar)
-  = tcGetTyVar tyvar   `thenNF_Tc` \ maybe_ty ->
-    case maybe_ty of
-       Just ty' -> unifyTupleTy boxity arity ty'
-       other    -> unify_tuple_ty_help boxity arity ty
-
-unifyTupleTy boxity arity ty
-  = case splitTyConApp_maybe ty of
-       Just (tycon, arg_tys)
-               |  isTupleTyCon tycon 
-               && tyConArity tycon == arity
-               && tupleTyConBoxity tycon == boxity
-               -> returnTc arg_tys
-       other -> unify_tuple_ty_help boxity arity ty
-
-unify_tuple_ty_help boxity arity ty
-  = newTyVarTys arity kind                             `thenNF_Tc` \ arg_tys ->
-    unifyTauTy ty (mkTupleTy boxity arity arg_tys)     `thenTc_`
-    returnTc arg_tys
-  where
-    kind | isBoxed boxity = boxedTypeKind
-        | otherwise      = openTypeKind
+unifyFunKind :: TcKind -> TcM (Maybe (TcKind, TcKind))
+-- Like unifyFunTy, but does not fail; instead just returns Nothing
+
+unifyFunKind (KindVar kvar)
+  = readKindVar kvar   `thenM` \ maybe_kind ->
+    case maybe_kind of
+       Just fun_kind -> unifyFunKind fun_kind
+       Nothing       -> do { arg_kind <- newKindVar
+                           ; res_kind <- newKindVar
+                           ; writeKindVar kvar (mkArrowKind arg_kind res_kind)
+                           ; returnM (Just (arg_kind,res_kind)) }
+    
+unifyFunKind (FunKind arg_kind res_kind) = returnM (Just (arg_kind,res_kind))
+unifyFunKind other                      = returnM Nothing
 \end{code}
 
-
 %************************************************************************
 %*                                                                     *
 \subsection[Unify-context]{Errors and contexts}
@@ -470,12 +1044,12 @@ Errors
 
 \begin{code}
 unifyCtxt s ty1 ty2 tidy_env   -- ty1 expected, ty2 inferred
-  = zonkTcType ty1     `thenNF_Tc` \ ty1' ->
-    zonkTcType ty2     `thenNF_Tc` \ ty2' ->
-    returnNF_Tc (err ty1' ty2')
+  = zonkTcType ty1     `thenM` \ ty1' ->
+    zonkTcType ty2     `thenM` \ ty2' ->
+    returnM (err ty1' ty2')
   where
     err ty1 ty2 = (env1, 
-                  nest 4 
+                  nest 2 
                        (vcat [
                           text "Expected" <+> text s <> colon <+> ppr tidy_ty1,
                           text "Inferred" <+> text s <> colon <+> ppr tidy_ty2
@@ -484,44 +1058,290 @@ unifyCtxt s ty1 ty2 tidy_env    -- ty1 expected, ty2 inferred
                    (env1, [tidy_ty1,tidy_ty2]) = tidyOpenTypes tidy_env [ty1,ty2]
 
 unifyKindCtxt swapped tv1 ty2 tidy_env -- not swapped => tv1 expected, ty2 inferred
-       -- tv1 is zonked already
-  = zonkTcType ty2     `thenNF_Tc` \ ty2' ->
-    returnNF_Tc (err ty2')
+       -- tv1 and ty2 are zonked already
+  = returnM msg
   where
-    err ty2 = (env2, ptext SLIT("When matching types") <+> 
-                    sep [quotes pp_expected, ptext SLIT("and"), quotes pp_actual])
-           where
-             (pp_expected, pp_actual) | swapped   = (pp2, pp1)
-                                      | otherwise = (pp1, pp2)
-             (env1, tv1') = tidyTyVar tidy_env tv1
-             (env2, ty2') = tidyOpenType  env1 ty2
-             pp1 = ppr tv1'
-             pp2 = ppr ty2'
+    msg = (env2, ptext SLIT("When matching types") <+> 
+                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)
 
 unifyMisMatch ty1 ty2
-  = zonkTcType ty1     `thenNF_Tc` \ ty1' ->
-    zonkTcType ty2     `thenNF_Tc` \ ty2' ->
+  = zonkTcType ty1     `thenM` \ ty1' ->
+    zonkTcType ty2     `thenM` \ ty2' ->
     let
        (env, [tidy_ty1, tidy_ty2]) = tidyOpenTypes emptyTidyEnv [ty1',ty2']
        msg = hang (ptext SLIT("Couldn't match"))
-                  4 (sep [quotes (ppr tidy_ty1), 
+                  2 (sep [quotes (ppr tidy_ty1), 
                           ptext SLIT("against"), 
                           quotes (ppr tidy_ty2)])
     in
     failWithTcM (env, msg)
 
+
 unifyWithSigErr tyvar ty
   = (env2, hang (ptext SLIT("Cannot unify the type-signature variable") <+> quotes (ppr tidy_tyvar))
-             4 (ptext SLIT("with the type") <+> quotes (ppr tidy_ty)))
+             2 (ptext SLIT("with the type") <+> quotes (ppr tidy_ty)))
   where
-    (env1, tidy_tyvar) = tidyTyVar emptyTidyEnv tyvar
-    (env2, tidy_ty)    = tidyOpenType  env1     ty
+    (env1, tidy_tyvar) = tidyOpenTyVar emptyTidyEnv tyvar
+    (env2, tidy_ty)    = tidyOpenType  env1         ty
 
-unifyOccurCheck tyvar ty
-  = (env2, hang (ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite type:"))
-             4 (sep [ppr tidy_tyvar, char '=', ppr tidy_ty]))
+unifyCheck problem tyvar ty
+  = (env2, hang msg
+             2 (sep [ppr tidy_tyvar, char '=', ppr tidy_ty]))
   where
-    (env1, tidy_tyvar) = tidyTyVar emptyTidyEnv tyvar
-    (env2, tidy_ty)    = tidyOpenType  env1     ty
+    (env1, tidy_tyvar) = tidyOpenTyVar emptyTidyEnv tyvar
+    (env2, tidy_ty)    = tidyOpenType  env1         ty
+
+    msg = case problem of
+           OccurCheck  -> ptext SLIT("Occurs check: cannot construct the infinite type:")
+           NotMonoType -> ptext SLIT("Cannot unify a type variable with a type scheme:")
 \end{code}
 
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+       Checking kinds
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+---------------------------
+-- We would like to get a decent error message from
+--   (a) Under-applied type constructors
+--             f :: (Maybe, Maybe)
+--   (b) Over-applied type constructors
+--             f :: Int x -> Int x
+--
+
+\begin{code}
+checkExpectedKind :: Outputable a => a -> TcKind -> TcKind -> TcM ()
+-- A fancy wrapper for 'unifyKind', which tries 
+-- to give decent error messages.
+checkExpectedKind ty act_kind exp_kind
+  | act_kind `isSubKind` exp_kind -- Short cut for a very common case
+  = returnM ()
+  | otherwise
+  = tryTc (unifyKind exp_kind act_kind)        `thenM` \ (errs, mb_r) ->
+    case mb_r of {
+       Just _  -> returnM () ; -- Unification succeeded
+       Nothing ->
+
+       -- So there's definitely an error
+       -- Now to find out what sort
+    zonkTcKind exp_kind                `thenM` \ exp_kind ->
+    zonkTcKind act_kind                `thenM` \ act_kind ->
+
+    let (exp_as, _) = splitKindFunTys exp_kind
+        (act_as, _) = splitKindFunTys act_kind
+       n_exp_as = length exp_as
+       n_act_as = length act_as
+
+       err | n_exp_as < n_act_as       -- E.g. [Maybe]
+           = quotes (ppr ty) <+> ptext SLIT("is not applied to enough type arguments")
+
+               -- Now n_exp_as >= n_act_as. In the next two cases, 
+               -- n_exp_as == 0, and hence so is n_act_as
+           | isLiftedTypeKind exp_kind && isUnliftedTypeKind act_kind
+           = ptext SLIT("Expecting a lifted type, but") <+> quotes (ppr ty)
+               <+> ptext SLIT("is unlifted")
+
+           | isUnliftedTypeKind exp_kind && isLiftedTypeKind act_kind
+           = ptext SLIT("Expecting an unlifted type, but") <+> quotes (ppr ty)
+               <+> ptext SLIT("is lifted")
+
+           | otherwise                 -- E.g. Monad [Int]
+           = sep [ ptext SLIT("Expecting kind") <+> quotes (pprKind exp_kind) <> comma,
+                   ptext SLIT("but") <+> quotes (ppr ty) <+> 
+                   ptext SLIT("has kind") <+> quotes (pprKind act_kind)]
+   in
+   failWithTc (ptext SLIT("Kind error:") <+> err) 
+   }
+\end{code}
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Checking signature type variables}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+@checkSigTyVars@ is used after the type in a type signature has been unified with
+the actual type found.  It then checks that the type variables of the type signature
+are
+       (a) Still all type variables
+               eg matching signature [a] against inferred type [(p,q)]
+               [then a will be unified to a non-type variable]
+
+       (b) Still all distinct
+               eg matching signature [(a,b)] against inferred type [(p,p)]
+               [then a and b will be unified together]
+
+       (c) Not mentioned in the environment
+               eg the signature for f in this:
+
+                       g x = ... where
+                                       f :: a->[a]
+                                       f y = [x,y]
+
+               Here, f is forced to be monorphic by the free occurence of x.
+
+       (d) Not (unified with another type variable that is) in scope.
+               eg f x :: (r->r) = (\y->y) :: forall a. a->r
+           when checking the expression type signature, we find that
+           even though there is nothing in scope whose type mentions r,
+           nevertheless the type signature for the expression isn't right.
+
+           Another example is in a class or instance declaration:
+               class C a where
+                  op :: forall b. a -> b
+                  op x = x
+           Here, b gets unified with a
+
+Before doing this, the substitution is applied to the signature type variable.
+
+We used to have the notion of a "DontBind" type variable, which would
+only be bound to itself or nothing.  Then points (a) and (b) were 
+self-checking.  But it gave rise to bogus consequential error messages.
+For example:
+
+   f = (*)     -- Monomorphic
+
+   g :: Num a => a -> a
+   g x = f x x
+
+Here, we get a complaint when checking the type signature for g,
+that g isn't polymorphic enough; but then we get another one when
+dealing with the (Num x) context arising from f's definition;
+we try to unify x with Int (to default it), but find that x has already
+been unified with the DontBind variable "a" from g's signature.
+This is really a problem with side-effecting unification; we'd like to
+undo g's effects when its type signature fails, but unification is done
+by side effect, so we can't (easily).
+
+So we revert to ordinary type variables for signatures, and try to
+give a helpful message in checkSigTyVars.
+
+\begin{code}
+checkSigTyVars :: [TcTyVar] -> TcM [TcTyVar]
+checkSigTyVars sig_tvs = check_sig_tyvars emptyVarSet sig_tvs
+
+checkSigTyVarsWrt :: TcTyVarSet -> [TcTyVar] -> TcM [TcTyVar]
+checkSigTyVarsWrt extra_tvs sig_tvs
+  = zonkTcTyVarsAndFV (varSetElems extra_tvs)  `thenM` \ extra_tvs' ->
+    check_sig_tyvars extra_tvs' sig_tvs
+
+check_sig_tyvars
+       :: TcTyVarSet           -- Global type variables. The universally quantified
+                               --      tyvars should not mention any of these
+                               --      Guaranteed already zonked.
+       -> [TcTyVar]            -- Universally-quantified type variables in the signature
+                               --      Not guaranteed zonked.
+       -> TcM [TcTyVar]        -- Zonked signature type variables
+
+check_sig_tyvars extra_tvs []
+  = returnM []
+check_sig_tyvars extra_tvs sig_tvs 
+  = zonkTcTyVars sig_tvs       `thenM` \ sig_tys ->
+    tcGetGlobalTyVars          `thenM` \ gbl_tvs ->
+    let
+       env_tvs = gbl_tvs `unionVarSet` extra_tvs
+    in
+    traceTc (text "check_sig_tyvars" <+> (vcat [text "sig_tys" <+> ppr sig_tys,
+                                     text "gbl_tvs" <+> ppr gbl_tvs,
+                                     text "extra_tvs" <+> ppr extra_tvs]))     `thenM_`
+
+    checkM (allDistinctTyVars sig_tys env_tvs)
+          (complain sig_tys env_tvs)           `thenM_`
+
+    returnM (map (tcGetTyVar "checkSigTyVars") sig_tys)
+
+  where
+    complain sig_tys globals
+      = -- "check" checks each sig tyvar in turn
+        foldlM check
+              (env2, emptyVarEnv, [])
+              (tidy_tvs `zip` tidy_tys)        `thenM` \ (env3, _, msgs) ->
+
+        failWithTcM (env3, main_msg $$ nest 2 (vcat msgs))
+      where
+       (env1, tidy_tvs) = tidyOpenTyVars emptyTidyEnv sig_tvs
+       (env2, tidy_tys) = tidyOpenTypes  env1         sig_tys
+
+       main_msg = ptext SLIT("Inferred type is less polymorphic than expected")
+
+       check (tidy_env, acc, msgs) (sig_tyvar,ty)
+               -- sig_tyvar is from the signature;
+               -- ty is what you get if you zonk sig_tyvar and then tidy it
+               --
+               -- acc maps a zonked type variable back to a signature type variable
+         = case tcGetTyVar_maybe ty of {
+             Nothing ->                        -- Error (a)!
+                       returnM (tidy_env, acc, unify_msg sig_tyvar (quotes (ppr ty)) : msgs) ;
+
+             Just tv ->
+
+           case lookupVarEnv acc tv of {
+               Just sig_tyvar' ->      -- Error (b)!
+                       returnM (tidy_env, acc, unify_msg sig_tyvar thing : msgs)
+                   where
+                       thing = ptext SLIT("another quantified type variable") <+> quotes (ppr sig_tyvar')
+
+             ; Nothing ->
+
+           if tv `elemVarSet` globals  -- Error (c) or (d)! Type variable escapes
+                                       -- The least comprehensible, so put it last
+                       -- Game plan: 
+                       --       get the local TcIds and TyVars from the environment,
+                       --       and pass them to find_globals (they might have tv free)
+           then   findGlobals (unitVarSet tv) tidy_env         `thenM` \ (tidy_env1, globs) ->
+                  returnM (tidy_env1, acc, escape_msg sig_tyvar tv globs : msgs)
+
+           else        -- All OK
+           returnM (tidy_env, extendVarEnv acc tv sig_tyvar, msgs)
+           }}
+\end{code}
+
+
+\begin{code}
+-----------------------
+escape_msg sig_tv tv globs
+  = mk_msg sig_tv <+> ptext SLIT("escapes") $$
+    if notNull globs then
+       vcat [pp_it <+> ptext SLIT("is mentioned in the environment:"), 
+             nest 2 (vcat globs)]
+     else
+       empty   -- Sigh.  It's really hard to give a good error message
+               -- all the time.   One bad case is an existential pattern match.
+               -- We rely on the "When..." context to help.
+  where
+    pp_it | sig_tv /= tv = ptext SLIT("It unifies with") <+> quotes (ppr tv) <> comma <+> ptext SLIT("which")
+         | otherwise    = ptext SLIT("It")
+
+
+unify_msg tv thing = mk_msg tv <+> ptext SLIT("is unified with") <+> thing
+mk_msg tv          = ptext SLIT("Quantified type variable") <+> quotes (ppr tv)
+\end{code}
+
+These two context are used with checkSigTyVars
+    
+\begin{code}
+sigCtxt :: Id -> [TcTyVar] -> TcThetaType -> TcTauType
+       -> TidyEnv -> TcM (TidyEnv, Message)
+sigCtxt id sig_tvs sig_theta sig_tau tidy_env
+  = zonkTcType sig_tau         `thenM` \ actual_tau ->
+    let
+       (env1, tidy_sig_tvs)    = tidyOpenTyVars tidy_env sig_tvs
+       (env2, tidy_sig_rho)    = tidyOpenType env1 (mkPhiTy sig_theta sig_tau)
+       (env3, tidy_actual_tau) = tidyOpenType env2 actual_tau
+       sub_msg = vcat [ptext SLIT("Signature type:    ") <+> pprType (mkForAllTys tidy_sig_tvs tidy_sig_rho),
+                       ptext SLIT("Type to generalise:") <+> pprType tidy_actual_tau
+                  ]
+       msg = vcat [ptext SLIT("When trying to generalise the type inferred for") <+> quotes (ppr id),
+                   nest 2 sub_msg]
+    in
+    returnM (env3, msg)
+\end{code}