Added default functions, isEmpty does not typecheck...
[cc1516.git] / sem.icl
diff --git a/sem.icl b/sem.icl
index 3b5d15d..0da9c77 100644 (file)
--- a/sem.icl
+++ b/sem.icl
@@ -7,32 +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.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 [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
@@ -43,35 +45,23 @@ import AST
 instance zero Gamma where
        zero = 'Map'.newMap
 
-variableStream :: [String]
+variableStream :: [TVar]
 variableStream = map toString [1..]
 
-sem :: AST -> Either [SemError] Constraints
+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 [] (IntType ->> (ListType CharType)))
+                zero
+
+sem :: AST -> Either [SemError] AST
 sem (AST fd) = case foldM (const $ hasNoDups fd) () fd 
-               >>| foldM (const isNiceMain) () fd
-               >>| hasMain fd of
+                       >>| foldM (const isNiceMain) () fd
+                       >>| hasMain fd
+                    >>| evalStateT (type fd) (defaultGamma, variableStream) of
        Left e = Left [e]
-       _ = case execRWST (constraints fd) zero variableStream of
-               Left e = Left [e]
-               Right (a, b) = Right b
+    Right (_,fds) = Right (AST fds)
 where
-               constraints :: [FunDecl] -> Infer ()
-        constraints _ = pure ()
-        //TODO: fix
-               //constraints fds = mapM_ funconstraint fds >>| pure ()
-
-               funconstraint :: FunDecl -> Infer ()
-               funconstraint fd=:(FunDecl _ ident args mt vardecls stmts) = case mt of
-                       Nothing = abort "Cannot infer functions yet"
-                       Just t = inEnv (ident, (Forall [] t)) (
-                               mapM_ vardeclconstraint vardecls >>| pure ())
-
-               vardeclconstraint :: VarDecl -> Infer ()
-        vardeclconstraint _ = pure ()
-        //TODO: fix!
-               //vardeclconstraint (VarDecl p mt ident expr) = infer expr
-                       //>>= \it->inEnv (ident, (Forall [] it)) (pure ())
-
                hasNoDups :: [FunDecl] FunDecl -> Either SemError ()
                hasNoDups fds (FunDecl p n _ _ _ _)
                # mbs = map (\(FunDecl p` n` _ _ _ _)->if (n == n`) (Just p`) Nothing) fds
@@ -95,22 +85,6 @@ 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
-
-instance toString Gamma where
-       toString mp = 
-               concat [concat [k, ": ", toString v, "\n"]\\(k, v)<-'Map'.toList mp]
-
-instance toString SemError where
-       toString (SanityError p e) = concat [toString p, 
-               "SemError: SanityError: ", e]
-       toString se = "SemError: "
-
-inEnv :: (String, Scheme) (Infer a) -> Infer a
-inEnv (x, sc) m = local ('Map'.put x sc) m
-
 class Typeable a where
     ftv :: a -> [TVar]
     subst :: Substitution a -> a
@@ -140,114 +114,296 @@ 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 (outside of Monad)
+//// algorithm U, Unification 
 //// ------------------------
 instance zero Substitution where zero = 'Map'.newMap
+
 compose :: Substitution Substitution -> Substitution
-compose s1 s2 = undef
-//unify :: 
+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 "isEmpty" = ListType <$> fresh
+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) = (\t->(zero,t)) <$> lookup k
+    //instantiate is key for the let polymorphism!
+    //TODO: field selectors
+
+    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
+
+    TupleExpr _ (e1, e2) = 
+        infer e1 >>= \(s1, t1) -> 
+        infer e2 >>= \(s2, t2) ->
+        pure (compose s2 s1, TupleType (t1,t2))
+
+    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->
+        pure (compose s2 s1, subst s2 tv)
+
+    IntExpr _ _ = pure $ (zero, IntType)
+    BoolExpr _ _ = pure $ (zero, BoolType)
+    CharExpr _ _ = pure $ (zero, CharType)
+
+
+op2Type :: Op2 -> Typing Type
+op2Type op
+| elem op [BiPlus, BiMinus, BiTimes, BiDivide, BiMod]
+  = pure (IntType ->> IntType ->> IntType)
+| elem op [BiEquals, BiUnEqual]
+  = fresh >>= \t1-> fresh >>= \t2-> pure (t1 ->> t2 ->> BoolType)
+| elem op [BiLesser, BiGreater, BiLesserEq, BiGreaterEq]
+  = pure (IntType ->> IntType ->> BoolType)
+| elem op [BiAnd, BiOr]
+  = pure (BoolType ->> BoolType ->> BoolType)
+| op == BiCons 
+  = fresh >>= \t1-> pure (t1 ->> ListType t1 ->> ListType t1)
+
+op1Type :: Op1 -> Typing Type
+op1Type UnNegation = pure $ (BoolType ->> BoolType)
+op1Type UnMinus = pure $ (IntType ->> IntType)
+
+////----- 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)->
+        lift (unify expected given) >>= \s2->
+        let s = compose s2 s1 in
+        applySubst s >>|
+        changeGamma (extend k (Forall [] given)) >>| //todo: fieldselectors
+        pure (s, VoidType)
+
+    FunStmt f es = pure (zero, VoidType) 
+
+    ReturnStmt Nothing = pure (zero, VoidType)
+    ReturnStmt (Just e) = infer e
+
+//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)
-
-//// ------------------------
-//// First step: Inference
-//// ------------------------//
-
-//unify :: Type Type -> Infer ()
-//unify t1 t2 = tell [(t1, t2)]//
-
-//fresh :: Infer Type
-//fresh = (gets id) >>= \vars-> (put $ tail vars) >>| (pure $ IdType $ head vars)//
-
-//op2Type :: Op2 -> Infer Type
-//op2Type op
-//| elem op [BiPlus, BiMinus, BiTimes, BiDivide, BiMod]
-//     = pure (IntType ->> IntType ->> IntType)
-//| elem op [BiEquals, BiUnEqual]
-//     = fresh >>= \t1-> fresh >>= \t2-> pure (t1 ->> t2 ->> BoolType)
-//| elem op [BiLesser, BiGreater, BiLesserEq, BiGreaterEq]
-//     = pure (IntType ->> IntType ->> BoolType)
-//| elem op [BiAnd, BiOr]
-//     = pure (BoolType ->> BoolType ->> BoolType)
-//| op == BiCons 
-//     = fresh >>= \t1-> pure (t1 ->> ListType t1 ->> ListType t1)//
-
-//op1Type :: Op1 -> Infer 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 ???//
-
-//class infer a :: a -> Infer Type
-//instance infer Expr where
-//     infer (VarExpr _ (VarDef ident fs)) = lookupEnv ident
-//    infer (Op2Expr _ e1 op e2) = 
-//        infer e1 >>= \t1 -> 
-//        infer e2 >>= \t2 ->
-//        fresh >>= \frsh -> 
-//        let given = t1 ->> (t2 ->> frsh) in
-//        op2Type op >>= \expected -> 
-//        unify expected given >>| 
-//        return frsh
-//     infer (Op1Expr _ op e) = 
-//        infer e >>= \t1 -> 
-//        fresh >>= \frsh -> 
-//        let given = t1 ->> frsh in
-//        op1Type op >>= \expected -> 
-//        unify expected given >>| 
-//        pure frsh
-//     infer (IntExpr _ _) = pure IntType
-//     infer (CharExpr _ _) = pure CharType
-//     infer (BoolExpr _ _) = pure BoolType
-//     infer (FunExpr _ f args sels) =  //todo, iets met field selectors
-//        lookupEnv f >>= \expected ->
-//        fresh >>= \frsh -> 
-//        mapM infer args >>= \argTypes ->
-//        let given = foldr (->>) frsh argTypes in
-//        unify expected given >>|
-//        pure frsh
-//     infer (EmptyListExpr _) = ListType <$> fresh
-//     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