Merge branch 'master' of https://github.com/dopefishh/cc1516
[cc1516.git] / sem.icl
diff --git a/sem.icl b/sem.icl
index 365729b..0c5b552 100644 (file)
--- a/sem.icl
+++ b/sem.icl
@@ -7,29 +7,34 @@ from StdFunc import o, flip, const, id
 
 import Control.Monad
 import Control.Monad.Trans
+import Control.Monad.State
 import Data.Either
 import Data.Maybe
 import Data.Monoid
-import Data.List 
+import Data.List
+import Data.Functor
+import Data.Tuple
 
 import StdString
+import StdTuple
 import StdList
 import StdMisc
 import StdEnum
-import RWST
 import GenEq
 
 from Text import class Text(concat), instance Text String
 
 import AST
 
-:: Scheme = Forall [String] Type
-:: Gamma :== 'Map'.Map String Scheme
+:: Scheme = Forall [TVar] Type
+:: Gamma :== 'Map'.Map String Scheme //map from Variables! to types
+:: Typing a :== StateT (Gamma, [TVar]) (Either SemError) a
+:: Substitution :== 'Map'.Map TVar Type
 :: Constraints :== [(Type, Type)]
-:: Infer a :== RWST Gamma Constraints [String] (Either SemError) a
 :: SemError
        = ParseError Pos String 
        | UnifyError Pos Type Type 
+    | InfiniteTypeError Pos Type
     | FieldSelectorError Pos Type FieldSelector 
        | OperatorError Pos Op2 Type
     | UndeclaredVariableError Pos String
@@ -37,15 +42,25 @@ import AST
        | SanityError Pos String
        | Error String
 
-variableStream :: [String]
+instance zero Gamma where
+       zero = 'Map'.newMap
+
+variableStream :: [TVar]
 variableStream = map toString [1..]
 
-sem :: AST -> SemOutput
-sem a=:(AST fd) = case foldM (const $ hasNoDups fd) () fd 
-               >>| foldM (const isNiceMain) () fd
-               >>| hasMain fd of
+defaultGamma :: Gamma //includes all default functions
+defaultGamma = extend "print" (Forall ["a"] ((IdType "a") ->> VoidType))
+                $ extend "isEmpty" (Forall ["a"] ((ListType (IdType "a")) ->> BoolType))
+                $ extend "read" (Forall [] CharType)
+                zero
+
+sem :: AST -> Either [SemError] AST
+sem (AST fd) = case foldM (const $ hasNoDups fd) () fd 
+                       >>| foldM (const isNiceMain) () fd
+                       >>| hasMain fd
+                    >>| evalStateT (type fd) (defaultGamma, variableStream) of
        Left e = Left [e]
-       _ = pure (a, 'Map'.newMap)
+    Right (_,fds) = Right (AST fds)
 where
                hasNoDups :: [FunDecl] FunDecl -> Either SemError ()
                hasNoDups fds (FunDecl p n _ _ _ _)
@@ -70,109 +85,339 @@ where
                                _ = Left $ SanityError p "main has to return Void")
                isNiceMain _ = pure ()
 
-instance toString Scheme where
-       toString (Forall x t) = 
-               concat ["Forall ": map ((+++) "\n") x] +++ toString t
+class Typeable a where
+    ftv :: a -> [TVar]
+    subst :: Substitution a -> a
 
-instance toString Gamma where
-       toString mp = 
-               concat [concat [k, ": ", toString v, "\n"]\\(k, v)<-'Map'.toList mp]
+instance Typeable Scheme where
+    ftv (Forall bound t) = difference (ftv t) bound
+    subst s (Forall bound t) = Forall bound $ subst s_ t
+        where s_ = 'Map'.filterWithKey (\k _ -> not (elem k bound)) s
 
-instance toString SemError where
-       toString (SanityError p e) = concat [toString p, 
-               "SemError: SanityError: ", e]
-       toString se = "SemError: "
+instance Typeable [a] | Typeable a where
+    ftv types   = foldr (\t ts-> ftv t ++ ts) [] types
+    subst s ts  = map (\t->subst s t) ts
+
+instance Typeable Type where
+    ftv (TupleType (t1, t2))    = ftv t1 ++ ftv t2
+    ftv (ListType t)            = ftv t
+    ftv (IdType tvar)           = [tvar]
+    ftv (t1 ->> t2)             = ftv t1 ++ ftv t2
+    ftv _                       = []
+    subst s (TupleType (t1, t2))= TupleType (subst s t1, subst s t2)
+    subst s (ListType t1)       = ListType (subst s t1)
+    subst s (t1 ->> t2)         = (subst s t1) ->> (subst s t2)
+    subst s t1=:(IdType tvar)   = 'Map'.findWithDefault t1 tvar s
+    subst s t                   = t
+
+instance Typeable Gamma where
+    ftv gamma       = concatMap id $ map ftv ('Map'.elems gamma)
+    subst s gamma   = Mapmap (subst s) gamma
+
+extend :: String Scheme Gamma -> Gamma
+extend k t g = 'Map'.put k t g
+
+//// ------------------------
+//// algorithm U, Unification 
+//// ------------------------
+instance zero Substitution where zero = 'Map'.newMap
+
+compose :: Substitution Substitution -> Substitution
+compose s1 s2 = 'Map'.union (Mapmap (subst s1) s2) s1
+//Note: just like function compositon compose does snd first
+
+occurs :: TVar a -> Bool | Typeable a
+occurs tvar a = elem tvar (ftv a)
+
+unify :: Type Type -> Either SemError Substitution
+unify t1 t2=:(IdType tv)    | t1 == (IdType tv) = Right zero
+                            | occurs tv t1 = Left $ InfiniteTypeError zero t1
+                            | otherwise = Right $ 'Map'.singleton tv t1
+unify t1=:(IdType tv) t2 = unify t2 t1
+unify (ta1->>ta2) (tb1->>tb2) = unify ta1 tb1 >>= \s1->
+                                unify ta2 tb2 >>= \s2->
+                                Right $ compose s1 s2
+unify (TupleType (ta1,ta2)) (TupleType (tb1,tb2)) = unify ta1 tb1 >>= \s1->
+                                                    unify ta2 tb2 >>= \s2->
+                                                    Right $ compose s1 s2
+unify (ListType t1) (ListType t2) = unify t1 t2
+unify t1 t2 | t1 == t2  = Right zero
+            | otherwise = Left $ UnifyError zero t1 t2
+
+//// ------------------------
+//// Algorithm M, Inference and Solving
+//// ------------------------
+gamma :: Typing Gamma
+gamma = gets fst
+putGamma :: Gamma -> Typing ()
+putGamma g = modify (appFst $ const g) >>| pure ()
+changeGamma :: (Gamma -> Gamma) -> Typing Gamma
+changeGamma f = modify (appFst f) >>| gamma
+withGamma :: (Gamma -> a) -> Typing a
+withGamma f = f <$> gamma
+fresh :: Typing Type
+fresh = gets snd >>= \vars-> 
+        modify (appSnd $ const $ tail vars) >>| 
+        pure (IdType (head vars))
+
+lift :: (Either SemError a) -> Typing a
+lift (Left e) = liftT $ Left e 
+lift (Right v) = pure v
+
+//instantiate maps a schemes type variables to variables with fresh names
+//and drops the quantification: i.e. forall a,b.a->[b] becomes c->[d]
+instantiate :: Scheme -> Typing Type
+instantiate (Forall bound t) = 
+    mapM (const fresh) bound >>= \newVars->
+    let s = 'Map'.fromList (zip (bound,newVars)) in
+    pure (subst s t)
+
+//generalize quentifies all free type variables in a type which are not
+//in the gamma
+generalize :: Type -> Typing Scheme
+generalize t = gamma >>= \g-> pure $ Forall (difference (ftv t) (ftv g)) t
+
+lookup :: String -> Typing Type 
+lookup k = gamma >>= \g-> case 'Map'.member k g of
+    False = liftT (Left $ UndeclaredVariableError zero k)
+    True = instantiate $ 'Map'.find k g
+
+//The inference class
+//When tying it all together we will treat the program is a big 
+//let x=e1 in let y=e2 in .... 
+class infer a :: a -> Typing (Substitution, Type)
+
+////---- Inference for Expressions ----
+
+instance infer Expr where 
+ infer e = case e of
+    VarExpr _ (VarDef k fs) = lookup k >>= \t ->
+        foldM foldFieldSelectors t fs >>= \finalT ->
+        pure (zero, finalT)
+
+    Op2Expr _ e1 op e2 =
+        infer e1 >>= \(s1, t1) -> 
+        infer e2 >>= \(s2, t2) ->
+        fresh >>= \tv ->
+        let given = t1 ->> t2 ->> tv in 
+        op2Type op >>= \expected ->
+        lift (unify expected given) >>= \s3 ->
+        pure ((compose s3 $ compose s2 s1), subst s3 tv)
+
+    Op1Expr _ op e1 =
+        infer e1 >>= \(s1, t1) -> 
+        fresh >>= \tv ->
+        let given = t1 ->> tv in 
+        op1Type op >>= \expected ->
+        lift (unify expected given) >>= \s2 ->
+        pure (compose s2 s1, subst s2 tv)
+
+    EmptyListExpr _ = (\tv->(zero,tv)) <$> fresh
 
-uni :: Type Type -> Infer ()
-uni t1 t2 = tell [(t1, t2)]
+    TupleExpr _ (e1, e2) = 
+        infer e1 >>= \(s1, t1) -> 
+        infer e2 >>= \(s2, t2) ->
+        pure (compose s2 s1, TupleType (t1,t2))
 
-inEnv :: (String, Scheme) (Infer a) -> (Infer a)
-inEnv (x, sc) m = local scope m
-       where
-               scope e = 'Map'.put x sc ('Map'.del x e )
+    FunExpr _ f args fs = //todo: fieldselectors
+        lookup f >>= \expected ->
+        let accST = (\(s,ts) e->infer e >>= \(s_,et)->pure (compose s_ s,ts++[et])) in
+        foldM accST (zero,[]) args >>= \(s1, argTs)->
+        fresh >>= \tv->
+        let given = foldr (->>) tv argTs in
+        lift (unify expected given) >>= \s2->
+        let fReturnType = subst s2 tv in
+        foldM foldFieldSelectors fReturnType fs >>= \returnType ->
+        pure (compose s2 s1, returnType)
 
-fresh :: Infer Type
-fresh = (gets id) >>= \vars-> (put $ tail vars) >>| (pure $ IdType $ head vars)
+    IntExpr _ _ = pure $ (zero, IntType)
+    BoolExpr _ _ = pure $ (zero, BoolType)
+    CharExpr _ _ = pure $ (zero, CharType)
 
-class infer a :: a -> Infer Type
+foldFieldSelectors :: Type FieldSelector -> Typing Type 
+foldFieldSelectors (ListType t) (FieldHd) = pure t
+foldFieldSelectors t=:(ListType _) (FieldTl) = pure t 
+foldFieldSelectors (TupleType (t1, _)) (FieldFst) = pure t1
+foldFieldSelectors (TupleType (_, t2)) (FieldSnd) = pure t2
+foldFieldSelectors t fs = liftT $ Left $ FieldSelectorError zero t fs
 
-op2Type :: Op2 -> Infer Type
+op2Type :: Op2 -> Typing Type
 op2Type op
 | elem op [BiPlus, BiMinus, BiTimes, BiDivide, BiMod]
-       = pure (IntType ->> IntType ->> IntType)
+  = pure (IntType ->> IntType ->> IntType)
 | elem op [BiEquals, BiUnEqual]
-       = fresh >>= \t1-> fresh >>= \t2-> pure (t1 ->> t2 ->> BoolType)
+  = fresh >>= \t1-> fresh >>= \t2-> pure (t1 ->> t2 ->> BoolType)
 | elem op [BiLesser, BiGreater, BiLesserEq, BiGreaterEq]
-       = pure (IntType ->> IntType ->> BoolType)
+  = pure (IntType ->> IntType ->> BoolType)
 | elem op [BiAnd, BiOr]
-       = pure (BoolType ->> BoolType ->> BoolType)
+  = pure (BoolType ->> BoolType ->> BoolType)
 | op == BiCons 
-       = fresh >>= \t1-> pure (t1 ->> ListType t1 ->> ListType t1)
+  = fresh >>= \t1-> pure (t1 ->> ListType t1 ->> ListType t1)
 
-op1Type :: Op1 -> Infer Type
+op1Type :: Op1 -> Typing Type
 op1Type UnNegation = pure $ (BoolType ->> BoolType)
 op1Type UnMinus = pure $ (IntType ->> IntType)
 
-//instantiate :: Scheme -> Infer Type
-//instantiate (Forall as t) = mapM (const fresh) as
-
-lookupEnv :: String -> Infer Type
-lookupEnv ident = asks ('Map'.get ident)
-       >>= \m->case m of
-               Nothing = liftT $ Left $ UndeclaredVariableError zero ident
-               Just (Forall as t) = pure t //instantiate ???
-
-instance infer Expr where
-       infer (VarExpr _ (VarDef ident fs)) = lookupEnv ident
-       infer (Op2Expr _ e1 op e2) = case op of
-               BiPlus = pure IntType
-               BiMinus = pure IntType
-               BiTimes = pure IntType
-               BiDivide = pure IntType
-               BiMod = pure IntType
-               BiLesser = pure IntType
-               BiGreater = pure IntType
-               BiLesserEq = pure IntType
-               BiGreaterEq = pure IntType
-               BiAnd = pure BoolType
-               BiOr = pure BoolType
-               BiEquals = infer e1
-               BiUnEqual = infer e1 // maybe check e2?
-               BiCons = infer e1 >>= \it1->pure $ ListType it1
-       infer (Op1Expr _ op e) = case op of
-               UnMinus = pure IntType
-               UnNegation = pure BoolType
-       infer (IntExpr _ _) = pure IntType
-       infer (CharExpr _ _) = pure CharType
-       infer (BoolExpr _ _) = pure BoolType
-       infer (FunExpr _ _ _ _) = undef
-       infer (EmptyListExpr _) = undef
-       infer (TupleExpr _ (e1, e2)) =
-               infer e1 >>= \et1->infer e2 >>= \et2->pure $ TupleType (et1, et2)
-
-//:: VarDef = VarDef String [FieldSelector]
-//:: FieldSelector = FieldHd | FieldTl | FieldFst | FieldSnd
-//:: Op1 = UnNegation | UnMinus
-//:: Op2 = BiPlus | BiMinus | BiTimes | BiDivide | BiMod | BiEquals | BiLesser |
-//     BiGreater | BiLesserEq | BiGreaterEq | BiUnEqual | BiAnd | BiOr | BiCons
-//:: FunDecl = FunDecl Pos String [String] (Maybe Type) [VarDecl] [Stmt]
-//:: FunCall = FunCall String [Expr]
-//:: Stmt 
-//     = IfStmt Expr [Stmt] [Stmt]
-//     | WhileStmt Expr [Stmt]
-//     | AssStmt VarDef Expr
-//     | FunStmt FunCall
-//     | ReturnStmt (Maybe Expr)
-//:: Pos = {line :: Int, col :: Int}
-//:: AST = AST [VarDecl] [FunDecl]
-//:: VarDecl = VarDecl Pos Type String Expr
-//:: Type 
-//     = TupleType (Type, Type)
-//     | ListType Type
-//     | IdType String 
-//     | IntType 
-//     | BoolType
-//     | CharType
-//     | VarType
-//    | VoidType
-//    | (->>) infixl 7 Type Type
+////----- Inference for Statements -----
+applySubst :: Substitution -> Typing Gamma
+applySubst s = changeGamma (subst s)
+
+instance infer Stmt where
+ infer s = case s of
+    IfStmt e th el = 
+        infer e >>= \(s1, et)->
+        lift (unify et BoolType) >>= \s2 ->
+        applySubst (compose s2 s1) >>|        
+        infer th >>= \(s3, tht)->
+        applySubst s3 >>|
+        infer el >>= \(s4, elt)->
+        applySubst s4 >>|
+        lift (unify tht elt) >>= \s5-> 
+        pure (compose s5 $ compose s4 $ compose s3 $ compose s2 s1, subst s5 tht)
+
+    WhileStmt e wh = 
+        infer e >>= \(s1, et)->
+        lift (unify et BoolType) >>= \s2 ->
+        applySubst (compose s2 s1) >>|
+        infer wh >>= \(s3, wht)->
+        pure (compose s3 $ compose s2 s1, subst s3 wht)
+
+    AssStmt (VarDef k fs) e =
+        lookup k >>= \expected ->
+        infer e >>= \(s1, given)->
+        foldM reverseFs given (reverse fs) >>= \varType->
+        lift (unify expected varType) >>= \s2->
+        let s = compose s2 s1 in
+        applySubst s >>|
+        changeGamma (extend k (Forall [] (subst s varType))) >>| 
+        pure (s, VoidType)
+
+    FunStmt f es _ = pure (zero, VoidType) 
+
+    ReturnStmt Nothing = pure (zero, VoidType)
+    ReturnStmt (Just e) = infer e
+
+reverseFs :: Type FieldSelector -> Typing Type 
+reverseFs t FieldHd = pure $ ListType t
+reverseFs t FieldTl = pure $ ListType t 
+reverseFs t FieldFst = fresh >>= \tv -> pure $ TupleType (t, tv)
+reverseFs t FieldSnd = fresh >>= \tv -> pure $ TupleType (tv, t)
+
+//The type of a list of statements is either an encountered
+//return, or VoidType
+instance infer [a] | infer a where
+    infer []        = pure (zero, VoidType)
+    infer [stmt:ss] = 
+        infer stmt >>= \(s1, t1) ->
+        applySubst s1 >>|
+        infer ss >>= \(s2, t2) ->
+        applySubst s2 >>|
+        case t1 of
+            VoidType = pure (compose s2 s1, t2)
+            _ = case t2 of
+                VoidType = pure (compose s2 s1, t1)
+                _ = lift (unify t1 t2) >>= \s3 -> 
+                    pure (compose s3 $ compose s2 s1, t1)
+
+//the type class inferes the type of an AST element (VarDecl or FunDecl)
+//and adds it to the AST element
+class type a :: a -> Typing (Substitution, a)
+
+instance type VarDecl where
+    type (VarDecl p expected k e) = 
+        infer e >>= \(s1, given) ->
+        applySubst s1 >>| 
+        case expected of
+            Nothing = pure zero
+            Just expected_ = lift (unify expected_ given)
+        >>= \s2->
+        applySubst s2 >>|
+        let vtype = subst (compose s2 s1) given in
+        generalize vtype >>= \t ->
+        changeGamma (extend k t) >>| 
+        pure (compose s2 s1, VarDecl p (Just vtype) k e)
+
+instance type FunDecl where
+    type (FunDecl p f args expected vds stmts) = 
+        gamma >>= \outerScope-> //functions are infered in their own scopde
+        introduce f >>|
+        mapM introduce args >>= \argTs->
+        type vds >>= \(s1, tVds)->
+        applySubst s1 >>|
+        infer stmts >>= \(s2, result)->
+        applySubst s1 >>|
+        let argTs_ = map (subst $ compose s2 s1) argTs in 
+        //abort (concat $ intersperse "\n" $ map toString argTs_) >>|
+        let given = foldr (->>) result argTs_ in 
+        (case expected of
+            Nothing = pure zero
+            Just expected_ = lift (unify expected_ given))
+        >>= \s3 ->
+        let ftype = subst (compose s3 $ compose s2 s1) given in
+        generalize ftype >>= \t->
+        putGamma outerScope >>|
+        changeGamma (extend f t) >>| 
+        pure (compose s3 $ compose s2 s1, FunDecl p f args (Just ftype) tVds stmts)
+
+instance type [a] | type a where
+    type []     = pure (zero, [])
+    type [v:vs] = 
+        type v >>= \(s1, v_)->
+        applySubst s1 >>|
+        type vs >>= \(s2, vs_)->
+        applySubst (compose s2 s1) >>|
+        pure (compose s2 s1, [v_:vs_])
+
+introduce :: String -> Typing Type
+introduce k = 
+    fresh >>= \tv ->
+    changeGamma (extend k (Forall [] tv)) >>|
+    pure tv
+
+instance toString Scheme where
+    toString (Forall x t) = 
+        concat ["Forall ": intersperse "," x] +++ concat [". ", toString t];
+
+instance toString Gamma where
+    toString mp = 
+        concat [concat [k, ": ", toString v, "\n"]\\(k, v)<-'Map'.toList mp]
+
+instance toString Substitution where
+    toString subs = 
+        concat [concat [k, ": ", toString t, "\n"]\\(k, t)<-'Map'.toList subs]
+
+instance toString SemError where
+    toString (SanityError p e) = concat [toString p, 
+        "SemError: SanityError: ", e]
+    toString (ParseError p s) = concat [toString p, 
+        "ParseError: ", s]
+    toString (UnifyError p t1 t2) = concat [toString p, 
+        "Can not unify types, expected|given:\n", toString t1,
+        "\n", toString t2]
+    toString (InfiniteTypeError p t) = concat [toString p, 
+        "Infinite type: ", toString t]
+    toString (FieldSelectorError p t fs) = concat [toString p,
+        "Can not run fieldselector '", toString fs, "' on type: ",
+        toString t]
+    toString (OperatorError p op t) = concat [toString p,
+        "Operator error, operator '", toString op, "' can not be",
+        "used on type: ", toString t]
+    toString (UndeclaredVariableError p k) = concat [toString p,
+        "Undeclared identifier: ", k]
+    toString (ArgumentMisMatchError p str) = concat [toString p,
+        "Argument mismatch: ", str]
+    toString (Error e) = concat ["Unknown error during semantical",
+        "analysis: ", e]
+
+instance toString (Maybe a) | toString a where
+    toString Nothing = "Nothing"
+    toString (Just e) = concat ["Just ", toString e]
+
+instance MonadTrans (StateT (Gamma, [TVar])) where
+    liftT m = StateT \s-> m >>= \a-> return (a, s)
+
+Mapmap :: (a->b) ('Map'.Map k a) -> ('Map'.Map k b)
+Mapmap _ 'Map'.Tip = 'Map'.Tip
+Mapmap f ('Map'.Bin sz k v ml mr) = 'Map'.Bin sz k (f v) 
+                                        (Mapmap f ml) 
+                                        (Mapmap f mr)