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[ghc-hetmet.git] / ghc / compiler / types / FunDeps.lhs
index ca0de67..9347f5f 100644 (file)
+%
+% (c) The GRASP/AQUA Project, Glasgow University, 2000
+%
+\section[FunDeps]{FunDeps - functional dependencies}
+
 It's better to read it as: "if we know these, then we're going to know these"
 
 \begin{code}
-module FunDeps(oclose, instantiateFdClassTys, pprFundeps) where
+module FunDeps (
+       Equation, pprEquation,
+       oclose, grow, improve, 
+       checkInstCoverage, checkFunDeps,
+       pprFundeps
+    ) where
 
 #include "HsVersions.h"
 
-import Class           (classTvsFds)
-import Outputable      (interppSP, ptext, empty, hsep, punctuate, comma)
-import UniqSet         (elementOfUniqSet, addOneToUniqSet )
-import List            (elemIndex)
-
-oclose fds vs =
-    case oclose1 fds vs of
-      (vs', False) -> vs'
-      (vs', True) -> oclose fds vs'
-
-oclose1 [] vs = (vs, False)
-oclose1 (fd@(ls, rs):fds) vs =
-    if osubset ls vs then
-       (vs'', b1 || b2)
-    else
-       vs'b1
-    where
-       vs'b1@(vs', b1) = oclose1 fds vs
-       (vs'', b2) = ounion rs vs'
-
-osubset [] vs = True
-osubset (u:us) vs = if u `elementOfUniqSet` vs then osubset us vs else False
-
-ounion [] ys = (ys, False)
-ounion (x:xs) ys =
-    if x `elementOfUniqSet` ys then (ys', b) else (addOneToUniqSet ys' x, True)
-    where
-       (ys', b) = ounion xs ys
-
-instantiateFdClassTys clas ts =
-    map (lookupInstFundep tyvars ts) fundeps
-    where
-       (tyvars, fundeps) = classTvsFds clas
-       lookupInstFundep tyvars ts (us, vs) =
-           (lookupInstTys tyvars ts us, lookupInstTys tyvars ts vs)
-lookupInstTys tyvars ts = map (lookupInstTy tyvars ts)
-lookupInstTy tyvars ts u = ts !! i
-    where Just i = elemIndex u tyvars
+import Name            ( Name, getSrcLoc )
+import Var             ( TyVar )
+import Class           ( Class, FunDep, classTvsFds )
+import Unify           ( tcUnifyTys, BindFlag(..) )
+import Type            ( substTys, notElemTvSubst )
+import TcType          ( Type, PredType(..), tcEqType, 
+                         predTyUnique, mkClassPred, tyVarsOfTypes, tyVarsOfPred )
+import InstEnv         ( Instance(..), InstEnv, instanceHead, classInstances,
+                         instanceCantMatch, roughMatchTcs )
+import VarSet
+import VarEnv
+import Outputable
+import Util             ( notNull )
+import List            ( tails )
+import Maybe           ( isJust )
+import ListSetOps      ( equivClassesByUniq )
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Close type variables}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+(oclose preds tvs) closes the set of type variables tvs, 
+wrt functional dependencies in preds.  The result is a superset
+of the argument set.  For example, if we have
+       class C a b | a->b where ...
+then
+       oclose [C (x,y) z, C (x,p) q] {x,y} = {x,y,z}
+because if we know x and y then that fixes z.
+
+Using oclose
+~~~~~~~~~~~~
+oclose is used
+
+a) When determining ambiguity.  The type
+       forall a,b. C a b => a
+is not ambiguous (given the above class decl for C) because
+a determines b.  
+
+b) When generalising a type T.  Usually we take FV(T) \ FV(Env),
+but in fact we need
+       FV(T) \ (FV(Env)+)
+where the '+' is the oclosure operation.  Notice that we do not 
+take FV(T)+.  This puzzled me for a bit.  Consider
+
+       f = E
+
+and suppose e have that E :: C a b => a, and suppose that b is
+free in the environment. Then we quantify over 'a' only, giving
+the type forall a. C a b => a.  Since a->b but we don't have b->a,
+we might have instance decls like
+       instance C Bool Int where ...
+       instance C Char Int where ...
+so knowing that b=Int doesn't fix 'a'; so we quantify over it.
+
+               ---------------
+               A WORRY: ToDo!
+               ---------------
+If we have     class C a b => D a b where ....
+               class D a b | a -> b where ...
+and the preds are [C (x,y) z], then we want to see the fd in D,
+even though it is not explicit in C, giving [({x,y},{z})]
+
+Similarly for instance decls?  E.g. Suppose we have
+       instance C a b => Eq (T a b) where ...
+and we infer a type t with constraints Eq (T a b) for a particular
+expression, and suppose that 'a' is free in the environment.  
+We could generalise to
+       forall b. Eq (T a b) => t
+but if we reduced the constraint, to C a b, we'd see that 'a' determines
+b, so that a better type might be
+       t (with free constraint C a b) 
+Perhaps it doesn't matter, because we'll still force b to be a
+particular type at the call sites.  Generalising over too many
+variables (provided we don't shadow anything by quantifying over a
+variable that is actually free in the envt) may postpone errors; it
+won't hide them altogether.
+
+
+\begin{code}
+oclose :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
+oclose preds fixed_tvs
+  | null tv_fds = fixed_tvs    -- Fast escape hatch for common case
+  | otherwise   = loop fixed_tvs
+  where
+    loop fixed_tvs
+       | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
+       | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
+       where
+         new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs tv_fds
+
+    extend fixed_tvs (ls,rs) | ls `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` rs
+                            | otherwise                = fixed_tvs
+
+    tv_fds  :: [(TyVarSet,TyVarSet)]
+       -- In our example, tv_fds will be [ ({x,y}, {z}), ({x,p},{q}) ]
+       -- Meaning "knowing x,y fixes z, knowing x,p fixes q"
+    tv_fds  = [ (tyVarsOfTypes xs, tyVarsOfTypes ys)
+             | ClassP cls tys <- preds,                -- Ignore implicit params
+               let (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls,
+               fd <- cls_fds,
+               let (xs,ys) = instFD fd cls_tvs tys
+             ]
+\end{code}
+
+\begin{code}
+grow :: [PredType] -> TyVarSet -> TyVarSet
+grow preds fixed_tvs 
+  | null preds = fixed_tvs
+  | otherwise  = loop fixed_tvs
+  where
+    loop fixed_tvs
+       | new_fixed_tvs `subVarSet` fixed_tvs = fixed_tvs
+       | otherwise                           = loop new_fixed_tvs
+       where
+         new_fixed_tvs = foldl extend fixed_tvs pred_sets
+
+    extend fixed_tvs pred_tvs 
+       | fixed_tvs `intersectsVarSet` pred_tvs = fixed_tvs `unionVarSet` pred_tvs
+       | otherwise                             = fixed_tvs
+
+    pred_sets = [tyVarsOfPred pred | pred <- preds]
+\end{code}
+    
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Generate equations from functional dependencies}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+
+\begin{code}
+----------
+type Equation = (TyVarSet, [(Type, Type)])
+-- These pairs of types should be equal, for some
+-- substitution of the tyvars in the tyvar set
+-- INVARIANT: corresponding types aren't already equal
+
+-- It's important that we have a *list* of pairs of types.  Consider
+--     class C a b c | a -> b c where ...
+--     instance C Int x x where ...
+-- Then, given the constraint (C Int Bool v) we should improve v to Bool,
+-- via the equation ({x}, [(Bool,x), (v,x)])
+-- This would not happen if the class had looked like
+--     class C a b c | a -> b, a -> c
+
+-- To "execute" the equation, make fresh type variable for each tyvar in the set,
+-- instantiate the two types with these fresh variables, and then unify.
+--
+-- For example, ({a,b}, (a,Int,b), (Int,z,Bool))
+-- We unify z with Int, but since a and b are quantified we do nothing to them
+-- We usually act on an equation by instantiating the quantified type varaibles
+-- to fresh type variables, and then calling the standard unifier.
+
+pprEquation (qtvs, pairs) 
+  = vcat [ptext SLIT("forall") <+> braces (pprWithCommas ppr (varSetElems qtvs)),
+         nest 2 (vcat [ ppr t1 <+> ptext SLIT(":=:") <+> ppr t2 | (t1,t2) <- pairs])]
+
+----------
+type Pred_Loc = (PredType, SDoc)       -- SDoc says where the Pred comes from
+
+improve :: (Class -> [Instance])               -- Gives instances for given class
+       -> [Pred_Loc]                           -- Current constraints; 
+       -> [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]       -- Derived equalities that must also hold
+                                               -- (NB the above INVARIANT for type Equation)
+                                               -- The Pred_Locs explain which two predicates were
+                                               -- combined (for error messages)
+\end{code}
+
+Given a bunch of predicates that must hold, such as
+
+       C Int t1, C Int t2, C Bool t3, ?x::t4, ?x::t5
+
+improve figures out what extra equations must hold.
+For example, if we have
+
+       class C a b | a->b where ...
+
+then improve will return
+
+       [(t1,t2), (t4,t5)]
+
+NOTA BENE:
+
+  * improve does not iterate.  It's possible that when we make
+    t1=t2, for example, that will in turn trigger a new equation.
+    This would happen if we also had
+       C t1 t7, C t2 t8
+    If t1=t2, we also get t7=t8.
+
+    improve does *not* do this extra step.  It relies on the caller
+    doing so.
+
+  * The equations unify types that are not already equal.  So there
+    is no effect iff the result of improve is empty
+
+
 
+\begin{code}
+improve inst_env preds
+  = [ eqn | group <- equivClassesByUniq (predTyUnique . fst) preds,
+           eqn   <- checkGroup inst_env group ]
+
+----------
+checkGroup :: (Class -> [Instance])
+          -> [Pred_Loc]
+          -> [(Equation, Pred_Loc, Pred_Loc)]
+  -- The preds are all for the same class or implicit param
+
+checkGroup inst_env (p1@(IParam _ ty, _) : ips)
+  =    -- For implicit parameters, all the types must match
+    [ ((emptyVarSet, [(ty,ty')]), p1, p2) 
+    | p2@(IParam _ ty', _) <- ips, not (ty `tcEqType` ty')]
+
+checkGroup inst_env clss@((ClassP cls _, _) : _)
+  =    -- For classes life is more complicated  
+       -- Suppose the class is like
+       --      classs C as | (l1 -> r1), (l2 -> r2), ... where ...
+       -- Then FOR EACH PAIR (ClassP c tys1, ClassP c tys2) in the list clss
+       -- we check whether
+       --      U l1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
+       --  (where U is a unifier)
+       -- 
+       -- If so, we return the pair
+       --      U r1[tys1/as] = U l2[tys2/as]
+       --
+       -- We need to do something very similar comparing each predicate
+       -- with relevant instance decls
+
+    instance_eqns ++ pairwise_eqns
+       -- NB: we put the instance equations first.   This biases the 
+       -- order so that we first improve individual constraints against the
+       -- instances (which are perhaps in a library and less likely to be
+       -- wrong; and THEN perform the pairwise checks.
+       -- The other way round, it's possible for the pairwise check to succeed
+       -- and cause a subsequent, misleading failure of one of the pair with an
+       -- instance declaration.  See tcfail143.hs for an exmample
+
+  where
+    (cls_tvs, cls_fds) = classTvsFds cls
+    instances         = inst_env cls
+
+       -- NOTE that we iterate over the fds first; they are typically
+       -- empty, which aborts the rest of the loop.
+    pairwise_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
+    pairwise_eqns      -- This group comes from pairwise comparison
+      = [ (eqn, p1, p2)
+       | fd <- cls_fds,
+         p1@(ClassP _ tys1, _) : rest <- tails clss,
+         p2@(ClassP _ tys2, _) <- rest,
+         eqn <- checkClsFD emptyVarSet fd cls_tvs tys1 tys2
+       ]
+
+    instance_eqns :: [(Equation,Pred_Loc,Pred_Loc)]
+    instance_eqns      -- This group comes from comparing with instance decls
+      = [ (eqn, p1, p2)
+       | fd <- cls_fds,        -- Iterate through the fundeps first, 
+                               -- because there often are none!
+         p2@(ClassP _ tys2, _) <- clss,
+         let rough_tcs2 = trimRoughMatchTcs cls_tvs fd (roughMatchTcs tys2),
+         ispec@(Instance { is_tvs = qtvs, is_tys = tys1, 
+                           is_tcs = mb_tcs1 }) <- instances,
+         not (instanceCantMatch mb_tcs1 rough_tcs2),
+         eqn <- checkClsFD qtvs fd cls_tvs tys1 tys2,
+         let p1 = (mkClassPred cls tys1, 
+                   ptext SLIT("arising from the instance declaration at") <+> 
+                       ppr (getSrcLoc ispec))
+       ]
+----------
+checkClsFD :: TyVarSet                         -- Quantified type variables; see note below
+          -> FunDep TyVar -> [TyVar]   -- One functional dependency from the class
+          -> [Type] -> [Type]
+          -> [Equation]
+
+checkClsFD qtvs fd clas_tvs tys1 tys2
+-- 'qtvs' are the quantified type variables, the ones which an be instantiated 
+-- to make the types match.  For example, given
+--     class C a b | a->b where ...
+--     instance C (Maybe x) (Tree x) where ..
+--
+-- and an Inst of form (C (Maybe t1) t2), 
+-- then we will call checkClsFD with
+--
+--     qtvs = {x}, tys1 = [Maybe x,  Tree x]
+--                 tys2 = [Maybe t1, t2]
+--
+-- We can instantiate x to t1, and then we want to force
+--     (Tree x) [t1/x]  :=:   t2
+--
+-- This function is also used when matching two Insts (rather than an Inst
+-- against an instance decl. In that case, qtvs is empty, and we are doing
+-- an equality check
+-- 
+-- This function is also used by InstEnv.badFunDeps, which needs to *unify*
+-- For the one-sided matching case, the qtvs are just from the template,
+-- so we get matching
+--
+  = ASSERT2( length tys1 == length tys2     && 
+            length tys1 == length clas_tvs 
+           , ppr tys1 <+> ppr tys2 )
+
+    case tcUnifyTys bind_fn ls1 ls2 of
+       Nothing  -> []
+       Just subst | isJust (tcUnifyTys bind_fn rs1' rs2') 
+                       -- Don't include any equations that already hold. 
+                       -- Reason: then we know if any actual improvement has happened,
+                       --         in which case we need to iterate the solver
+                       -- In making this check we must taking account of the fact that any 
+                       -- qtvs that aren't already instantiated can be instantiated to anything 
+                       -- at all
+                 -> []
+
+                 | otherwise   -- Aha!  A useful equation
+                 -> [ (qtvs', zip rs1' rs2')]
+                       -- We could avoid this substTy stuff by producing the eqn
+                       -- (qtvs, ls1++rs1, ls2++rs2)
+                       -- which will re-do the ls1/ls2 unification when the equation is
+                       -- executed.  What we're doing instead is recording the partial
+                       -- work of the ls1/ls2 unification leaving a smaller unification problem
+                 where
+                   rs1'  = substTys subst rs1 
+                   rs2'  = substTys subst rs2
+                   qtvs' = filterVarSet (`notElemTvSubst` subst) qtvs
+                       -- qtvs' are the quantified type variables
+                       -- that have not been substituted out
+                       --      
+                       -- Eg.  class C a b | a -> b
+                       --      instance C Int [y]
+                       -- Given constraint C Int z
+                       -- we generate the equation
+                       --      ({y}, [y], z)
+  where
+    bind_fn tv | tv `elemVarSet` qtvs = BindMe
+              | otherwise            = Skolem
+
+    (ls1, rs1) = instFD fd clas_tvs tys1
+    (ls2, rs2) = instFD fd clas_tvs tys2
+
+instFD :: FunDep TyVar -> [TyVar] -> [Type] -> FunDep Type
+instFD (ls,rs) tvs tys
+  = (map lookup ls, map lookup rs)
+  where
+    env       = zipVarEnv tvs tys
+    lookup tv = lookupVarEnv_NF env tv
+\end{code}
+
+\begin{code}
+checkInstCoverage :: Class -> [Type] -> Bool
+-- Check that the Coverage Condition is obeyed in an instance decl
+-- For example, if we have 
+--     class theta => C a b | a -> b
+--     instance C t1 t2 
+-- Then we require fv(t2) `subset` fv(t1)
+-- See Note [Coverage Condition] below
+
+checkInstCoverage clas inst_taus
+  = all fundep_ok fds
+  where
+    (tyvars, fds) = classTvsFds clas
+    fundep_ok fd  = tyVarsOfTypes rs `subVarSet` tyVarsOfTypes ls
+                where
+                  (ls,rs) = instFD fd tyvars inst_taus
+\end{code}
+
+Note [Coverage condition]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+For the coverage condition, we used to require only that 
+       fv(t2) `subset` oclose(fv(t1), theta)
+
+Example:
+       class Mul a b c | a b -> c where
+               (.*.) :: a -> b -> c
+
+       instance Mul Int Int Int where (.*.) = (*)
+       instance Mul Int Float Float where x .*. y = fromIntegral x * y
+       instance Mul a b c => Mul a [b] [c] where x .*. v = map (x.*.) v
+
+In the third instance, it's not the case that fv([c]) `subset` fv(a,[b]).
+But it is the case that fv([c]) `subset` oclose( theta, fv(a,[b]) )
+
+But it is a mistake to accept the instance because then this defn:
+       f = \ b x y -> if b then x .*. [y] else y
+makes instance inference go into a loop, because it requires the constraint
+       Mul a [b] b
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+       Check that a new instance decl is OK wrt fundeps
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+Here is the bad case:
+       class C a b | a->b where ...
+       instance C Int Bool where ...
+       instance C Int Char where ...
+
+The point is that a->b, so Int in the first parameter must uniquely
+determine the second.  In general, given the same class decl, and given
+
+       instance C s1 s2 where ...
+       instance C t1 t2 where ...
+
+Then the criterion is: if U=unify(s1,t1) then U(s2) = U(t2).
+
+Matters are a little more complicated if there are free variables in
+the s2/t2.  
+
+       class D a b c | a -> b
+       instance D a b => D [(a,a)] [b] Int
+       instance D a b => D [a]     [b] Bool
+
+The instance decls don't overlap, because the third parameter keeps
+them separate.  But we want to make sure that given any constraint
+       D s1 s2 s3
+if s1 matches 
+
+
+\begin{code}
+checkFunDeps :: (InstEnv, InstEnv) -> Instance
+            -> Maybe [Instance]        -- Nothing  <=> ok
+                                       -- Just dfs <=> conflict with dfs
+-- Check wheher adding DFunId would break functional-dependency constraints
+-- Used only for instance decls defined in the module being compiled
+checkFunDeps inst_envs ispec
+  | null bad_fundeps = Nothing
+  | otherwise       = Just bad_fundeps
+  where
+    (ins_tvs, _, clas, ins_tys) = instanceHead ispec
+    ins_tv_set   = mkVarSet ins_tvs
+    cls_inst_env = classInstances inst_envs clas
+    bad_fundeps  = badFunDeps cls_inst_env clas ins_tv_set ins_tys
+
+badFunDeps :: [Instance] -> Class
+          -> TyVarSet -> [Type]        -- Proposed new instance type
+          -> [Instance]
+badFunDeps cls_insts clas ins_tv_set ins_tys 
+  = [ ispec | fd <- fds,       -- fds is often empty
+             let trimmed_tcs = trimRoughMatchTcs clas_tvs fd rough_tcs,
+             ispec@(Instance { is_tcs = mb_tcs, is_tvs = tvs, 
+                               is_tys = tys }) <- cls_insts,
+               -- Filter out ones that can't possibly match, 
+               -- based on the head of the fundep
+             not (instanceCantMatch trimmed_tcs mb_tcs),       
+             notNull (checkClsFD (tvs `unionVarSet` ins_tv_set) 
+                                  fd clas_tvs tys ins_tys)
+    ]
+  where
+    (clas_tvs, fds) = classTvsFds clas
+    rough_tcs = roughMatchTcs ins_tys
+
+trimRoughMatchTcs :: [TyVar] -> FunDep TyVar -> [Maybe Name] -> [Maybe Name]
+-- Computing rough_tcs for a particular fundep
+--     class C a b c | a c -> b where ... 
+-- For each instance .... => C ta tb tc
+-- we want to match only on the types ta, tb; so our
+-- rough-match thing must similarly be filtered.  
+-- Hence, we Nothing-ise the tb type right here
+trimRoughMatchTcs clas_tvs (ltvs,_) mb_tcs
+  = zipWith select clas_tvs mb_tcs
+  where
+    select clas_tv mb_tc | clas_tv `elem` ltvs = mb_tc
+                        | otherwise           = Nothing
+\end{code}
+
+
+%************************************************************************
+%*                                                                     *
+\subsection{Miscellaneous}
+%*                                                                     *
+%************************************************************************
+
+\begin{code}
+pprFundeps :: Outputable a => [FunDep a] -> SDoc
 pprFundeps [] = empty
 pprFundeps fds = hsep (ptext SLIT("|") : punctuate comma (map ppr_fd fds))
 
 ppr_fd (us, vs) = hsep [interppSP us, ptext SLIT("->"), interppSP vs]
-
 \end{code}
+