infer voor statements
[cc1516.git] / sem.icl
diff --git a/sem.icl b/sem.icl
index e05a1e4..272ef5a 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
+:: 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
@@ -40,7 +45,7 @@ import AST
 instance zero Gamma where
        zero = 'Map'.newMap
 
-variableStream :: [String]
+variableStream :: [TVar]
 variableStream = map toString [1..]
 
 sem :: AST -> Either [SemError] Constraints
@@ -48,22 +53,28 @@ sem (AST fd) = case foldM (const $ hasNoDups fd) () fd
                >>| foldM (const isNiceMain) () fd
                >>| hasMain fd of
        Left e = Left [e]
-       _ = case execRWST (constraints fd) zero variableStream of
-               Left e = Left [e]
-               Right (a, b) = Right b
+    _ = Right []
+       //_ = case execRWST (constraints fd) zero variableStream of
+       //      Left e = Left [e]
+       //      Right (a, b) = Right b
 where
-               constraints :: [FunDecl] -> Infer ()
-               constraints fds = mapM_ funconstraint fds >>| pure ()
+               constraints :: [FunDecl] -> Typing ()
+        constraints _ = pure ()
+        //TODO: fix
+               //constraints fds = mapM_ funconstraint fds >>| pure ()
 
-               funconstraint :: FunDecl -> Infer ()
+               funconstraint :: FunDecl -> Typing ()
                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 ())
+            _ = pure ()
+                       //Just t = inEnv (ident, (Forall [] t)) (
+                       //      mapM_ vardeclconstraint vardecls >>| pure ())
 
-               vardeclconstraint :: VarDecl -> Infer ()
-               vardeclconstraint (VarDecl p mt ident expr) = infer expr
-                       >>= \it->inEnv (ident, (Forall [] it)) (pure ())
+               vardeclconstraint :: VarDecl -> Typing ()
+        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 _ _ _ _)
@@ -88,106 +99,325 @@ 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=:(IdType tv) t2 = unify t2 t1
+unify t1 t2=:(IdType tv)    | t1 == (IdType tv) = Right zero
+                            | occurs tv t1 = Left $ InfiniteTypeError zero t1
+                            | otherwise = Right $ 'Map'.singleton tv t1
+unify (ta1->>ta2) (tb1->>tb2) = unify ta1 tb1 >>= \s1->
+                                unify tb1 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
+//// ------------------------
+//The typing monad
+:: Typing a :== StateT (Gamma, [TVar]) (Either SemError) a
+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))
 
-uni :: Type Type -> Infer ()
-uni t1 t2 = tell [(t1, t2)]
+lift :: (Either SemError a) -> Typing a
+lift (Left e) = liftT $ Left e 
+lift (Right v) = pure v
 
-inEnv :: (String, Scheme) (Infer a) -> Infer a
-inEnv (x, sc) m = local ('Map'.put x sc) m
+//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)
 
-fresh :: Infer Type
-fresh = (gets id) >>= \vars-> (put $ tail vars) >>| (pure $ IdType $ head vars)
+//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
 
-op2Type :: Op2 -> Infer Type
+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) = (\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)
+  = 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 ???
-
-class infer a :: a -> Infer Type
-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 s1 s2, 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 s1 s2, subst s3 wht)
+
+    AssStmt (VarDef k fs) e =
+        infer e >>= \(s1, et)->
+        applySubst s1 >>|
+        changeGamma (extend k (Forall [] et)) >>| //todo: fieldselectors
+        pure (s1, VoidType)
+
+    FunStmt f es = undef //what is this? 
+
+    ReturnStmt Nothing = pure (zero, VoidType)
+    ReturnStmt (Just e) = infer e
+
+
+instance infer [a] | infer a where
+    infer _ = undef
+
+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)
+
+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: "
+
+instance MonadTrans (StateT (Gamma, [TVar])) where
+    liftT m = StateT \s-> m >>= \a-> return (a, s)
+
+//// ------------------------
+//// 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