Treat isConstraintKind more consistently
[ghc.git] / compiler / typecheck / TcHsType.hs
index 8fb5d16..c1ecd47 100644 (file)
@@ -5,7 +5,8 @@
 \section[TcMonoType]{Typechecking user-specified @MonoTypes@}
 -}
 
-{-# LANGUAGE CPP, TupleSections, MultiWayIf #-}
+{-# LANGUAGE CPP, TupleSections, MultiWayIf, RankNTypes #-}
+{-# LANGUAGE ScopedTypeVariables #-}
 
 module TcHsType (
         -- Type signatures
@@ -15,29 +16,40 @@ module TcHsType (
         funsSigCtxt, addSigCtxt, pprSigCtxt,
 
         tcHsClsInstType,
-        tcHsDeriv, tcHsVectInst,
+        tcHsDeriv, tcDerivStrategy,
         tcHsTypeApp,
         UserTypeCtxt(..),
-        tcImplicitTKBndrs, tcImplicitTKBndrsType, tcExplicitTKBndrs,
+        tcImplicitTKBndrs, tcImplicitQTKBndrs,
+        tcExplicitTKBndrs,
+        kcExplicitTKBndrs, kcImplicitTKBndrs,
 
                 -- Type checking type and class decls
         kcLookupTcTyCon, kcTyClTyVars, tcTyClTyVars,
         tcDataKindSig,
 
+          -- tyvars
+        scopeTyVars, scopeTyVars2,
+
         -- Kind-checking types
         -- No kind generalisation, no checkValidType
+        kcLHsQTyVars,
         tcWildCardBinders,
-        kcHsTyVarBndrs,
         tcHsLiftedType,   tcHsOpenType,
         tcHsLiftedTypeNC, tcHsOpenTypeNC,
-        tcLHsType, tcCheckLHsType,
-        tcHsContext, tcLHsPredType, tcInferApps, tcInferArgs,
+        tcLHsType, tcLHsTypeUnsaturated, tcCheckLHsType,
+        tcHsMbContext, tcHsContext, tcLHsPredType, tcInferApps,
         solveEqualities, -- useful re-export
 
-        kindGeneralize,
+        typeLevelMode, kindLevelMode,
+
+        kindGeneralize, checkExpectedKindX, instantiateTyUntilN,
+        reportFloatingKvs,
 
         -- Sort-checking kinds
-        tcLHsKind,
+        tcLHsKindSig, badKindSig,
+
+        -- Zonking and promoting
+        zonkPromoteType,
 
         -- Pattern type signatures
         tcHsPatSigType, tcPatSig, funAppCtxt
@@ -45,6 +57,8 @@ module TcHsType (
 
 #include "HsVersions.h"
 
+import GhcPrelude
+
 import HsSyn
 import TcRnMonad
 import TcEvidence
@@ -53,19 +67,19 @@ import TcMType
 import TcValidity
 import TcUnify
 import TcIface
-import TcSimplify ( solveEqualities )
+import TcSimplify
 import TcType
 import TcHsSyn( zonkSigType )
-import Inst   ( tcInstBinders, tcInstBindersX, tcInstBinderX )
+import Inst   ( tcInstTyBinders, tcInstTyBinder )
+import TyCoRep( TyBinder(..) )  -- Used in tcDataKindSig
 import Type
-import Kind
+import Coercion
 import RdrName( lookupLocalRdrOcc )
 import Var
 import VarSet
 import TyCon
 import ConLike
 import DataCon
-import TysPrim ( tYPE )
 import Class
 import Name
 import NameEnv
@@ -85,7 +99,7 @@ import PrelNames hiding ( wildCardName )
 import qualified GHC.LanguageExtensions as LangExt
 
 import Maybes
-import Data.List ( partition, zipWith4 )
+import Data.List ( find, mapAccumR )
 import Control.Monad
 
 {-
@@ -152,13 +166,13 @@ funsSigCtxt :: [Located Name] -> UserTypeCtxt
 funsSigCtxt (L _ name1 : _) = FunSigCtxt name1 False
 funsSigCtxt []              = panic "funSigCtxt"
 
-addSigCtxt :: UserTypeCtxt -> LHsType Name -> TcM a -> TcM a
+addSigCtxt :: UserTypeCtxt -> LHsType GhcRn -> TcM a -> TcM a
 addSigCtxt ctxt hs_ty thing_inside
   = setSrcSpan (getLoc hs_ty) $
     addErrCtxt (pprSigCtxt ctxt hs_ty) $
     thing_inside
 
-pprSigCtxt :: UserTypeCtxt -> LHsType Name -> SDoc
+pprSigCtxt :: UserTypeCtxt -> LHsType GhcRn -> SDoc
 -- (pprSigCtxt ctxt <extra> <type>)
 -- prints    In the type signature for 'f':
 --              f :: <type>
@@ -172,61 +186,95 @@ pprSigCtxt ctxt hs_ty
   = hang (text "In" <+> pprUserTypeCtxt ctxt <> colon)
        2 (ppr hs_ty)
 
-tcHsSigWcType :: UserTypeCtxt -> LHsSigWcType Name -> TcM Type
+tcHsSigWcType :: UserTypeCtxt -> LHsSigWcType GhcRn -> TcM Type
 -- This one is used when we have a LHsSigWcType, but in
 -- a place where wildards aren't allowed. The renamer has
--- alrady checked this, so we can simply ignore it.
+-- already checked this, so we can simply ignore it.
 tcHsSigWcType ctxt sig_ty = tcHsSigType ctxt (dropWildCards sig_ty)
 
-kcHsSigType :: [Located Name] -> LHsSigType Name -> TcM ()
-kcHsSigType names (HsIB { hsib_body = hs_ty
-                        , hsib_vars = sig_vars })
+kcHsSigType :: SkolemInfo -> [Located Name] -> LHsSigType GhcRn -> TcM ()
+kcHsSigType skol_info names (HsIB { hsib_body = hs_ty
+                                  , hsib_ext = HsIBRn { hsib_vars = sig_vars }})
   = addSigCtxt (funsSigCtxt names) hs_ty $
     discardResult $
-    tcImplicitTKBndrsType sig_vars $
+    tcImplicitTKBndrs skol_info sig_vars $
     tc_lhs_type typeLevelMode hs_ty liftedTypeKind
+kcHsSigType  _ _ (XHsImplicitBndrs _) = panic "kcHsSigType"
 
-tcClassSigType :: [Located Name] -> LHsSigType Name -> TcM Type
+tcClassSigType :: SkolemInfo -> [Located Name] -> LHsSigType GhcRn -> TcM Type
 -- Does not do validity checking; this must be done outside
 -- the recursive class declaration "knot"
-tcClassSigType names sig_ty
+tcClassSigType skol_info names sig_ty
   = addSigCtxt (funsSigCtxt names) (hsSigType sig_ty) $
-    do { ty <- tc_hs_sig_type sig_ty liftedTypeKind
-       ; kindGeneralizeType ty }
+    tc_hs_sig_type_and_gen skol_info sig_ty liftedTypeKind
 
-tcHsSigType :: UserTypeCtxt -> LHsSigType Name -> TcM Type
+tcHsSigType :: UserTypeCtxt -> LHsSigType GhcRn -> TcM Type
 -- Does validity checking
+-- See Note [Recipe for checking a signature]
 tcHsSigType ctxt sig_ty
   = addSigCtxt ctxt (hsSigType sig_ty) $
-    do { kind <- case expectedKindInCtxt ctxt of
+    do { traceTc "tcHsSigType {" (ppr sig_ty)
+       ; kind <- case expectedKindInCtxt ctxt of
                     AnythingKind -> newMetaKindVar
                     TheKind k    -> return k
                     OpenKind     -> newOpenTypeKind
               -- The kind is checked by checkValidType, and isn't necessarily
               -- of kind * in a Template Haskell quote eg [t| Maybe |]
 
-       ; ty <- tc_hs_sig_type sig_ty kind
-
           -- Generalise here: see Note [Kind generalisation]
-       ; do_kind_gen <- decideKindGeneralisationPlan ty
+       ; do_kind_gen <- decideKindGeneralisationPlan sig_ty
        ; ty <- if do_kind_gen
-               then kindGeneralizeType ty
-               else zonkTcType ty
+               then tc_hs_sig_type_and_gen skol_info sig_ty kind
+               else tc_hs_sig_type         skol_info sig_ty kind
 
        ; checkValidType ctxt ty
+       ; traceTc "end tcHsSigType }" (ppr ty)
        ; return ty }
-
-tc_hs_sig_type :: LHsSigType Name -> Kind -> TcM Type
--- Does not do validity checking or zonking
-tc_hs_sig_type (HsIB { hsib_body = hs_ty
-                     , hsib_vars = sig_vars }) kind
+  where
+    skol_info = SigTypeSkol ctxt
+
+tc_hs_sig_type_and_gen :: SkolemInfo -> LHsSigType GhcRn -> Kind -> TcM Type
+-- Kind-checks/desugars an 'LHsSigType',
+--   solve equalities,
+--   and then kind-generalizes.
+-- This will never emit constraints, as it uses solveEqualities interally.
+-- No validity checking, but it does zonk en route to generalization
+tc_hs_sig_type_and_gen skol_info (HsIB { hsib_ext
+                                              = HsIBRn { hsib_vars = sig_vars }
+                                       , hsib_body = hs_ty }) kind
   = do { (tkvs, ty) <- solveEqualities $
-                       tcImplicitTKBndrsType sig_vars $
+                       tcImplicitTKBndrs skol_info sig_vars $
                        tc_lhs_type typeLevelMode hs_ty kind
-       ; return (mkSpecForAllTys tkvs ty) }
+         -- NB the call to solveEqualities, which unifies all those
+         --    kind variables floating about, immediately prior to
+         --    kind generalisation
+
+         -- We use the "InKnot" zonker, because this is called
+         -- on class method sigs in the knot
+       ; ty1 <- zonkPromoteTypeInKnot $ mkSpecForAllTys tkvs ty
+       ; kvs <- kindGeneralize ty1
+       ; zonkSigType (mkInvForAllTys kvs ty1) }
+
+tc_hs_sig_type_and_gen _ (XHsImplicitBndrs _) _ = panic "tc_hs_sig_type_and_gen"
+
+tc_hs_sig_type :: SkolemInfo -> LHsSigType GhcRn -> Kind -> TcM Type
+-- Kind-check/desugar a 'LHsSigType', but does not solve
+-- the equalities that arise from doing so; instead it may
+-- emit kind-equality constraints into the monad
+-- Zonking, but no validity checking
+tc_hs_sig_type skol_info (HsIB { hsib_ext = HsIBRn { hsib_vars = sig_vars }
+                               , hsib_body = hs_ty }) kind
+  = do { (tkvs, ty) <- tcImplicitTKBndrs skol_info sig_vars $
+                       tc_lhs_type typeLevelMode hs_ty kind
+
+          -- need to promote any remaining metavariables; test case:
+          -- dependent/should_fail/T14066e.
+       ; zonkPromoteType (mkSpecForAllTys tkvs ty) }
+
+tc_hs_sig_type _ (XHsImplicitBndrs _) _ = panic "tc_hs_sig_type"
 
 -----------------
-tcHsDeriv :: LHsSigType Name -> TcM ([TyVar], Class, [Type], [Kind])
+tcHsDeriv :: LHsSigType GhcRn -> TcM ([TyVar], (Class, [Type], [Kind]))
 -- Like tcHsSigType, but for the ...deriving( C t1 ty2 ) clause
 -- Returns the C, [ty1, ty2, and the kinds of C's remaining arguments
 -- E.g.    class C (a::*) (b::k->k)
@@ -238,68 +286,101 @@ tcHsDeriv hs_ty
                     -- can be no covars in an outer scope
        ; ty <- checkNoErrs $
                  -- avoid redundant error report with "illegal deriving", below
-               tc_hs_sig_type hs_ty cls_kind
-       ; ty <- kindGeneralizeType ty  -- also zonks
+               tc_hs_sig_type_and_gen (SigTypeSkol DerivClauseCtxt) hs_ty cls_kind
        ; cls_kind <- zonkTcType cls_kind
        ; let (tvs, pred) = splitForAllTys ty
        ; let (args, _) = splitFunTys cls_kind
        ; case getClassPredTys_maybe pred of
-           Just (cls, tys) -> return (tvs, cls, tys, args)
+           Just (cls, tys) -> return (tvs, (cls, tys, args))
            Nothing -> failWithTc (text "Illegal deriving item" <+> quotes (ppr hs_ty)) }
 
+-- | Typecheck something within the context of a deriving strategy.
+-- This is of particular importance when the deriving strategy is @via@.
+-- For instance:
+--
+-- @
+-- deriving via (S a) instance C (T a)
+-- @
+--
+-- We need to typecheck @S a@, and moreover, we need to extend the tyvar
+-- environment with @a@ before typechecking @C (T a)@, since @S a@ quantified
+-- the type variable @a@.
+tcDerivStrategy
+  :: forall a.
+     UserTypeCtxt
+  -> Maybe (DerivStrategy GhcRn) -- ^ The deriving strategy
+  -> TcM ([TyVar], a) -- ^ The thing to typecheck within the context of the
+                      -- deriving strategy, which might quantify some type
+                      -- variables of its own.
+  -> TcM (Maybe (DerivStrategy GhcTc), [TyVar], a)
+     -- ^ The typechecked deriving strategy, all quantified tyvars, and
+     -- the payload of the typechecked thing.
+tcDerivStrategy user_ctxt mds thing_inside
+  = case mds of
+      Nothing -> boring_case Nothing
+      Just ds -> do (ds', tvs, thing) <- tc_deriv_strategy ds
+                    pure (Just ds', tvs, thing)
+  where
+    tc_deriv_strategy :: DerivStrategy GhcRn
+                      -> TcM (DerivStrategy GhcTc, [TyVar], a)
+    tc_deriv_strategy StockStrategy    = boring_case StockStrategy
+    tc_deriv_strategy AnyclassStrategy = boring_case AnyclassStrategy
+    tc_deriv_strategy NewtypeStrategy  = boring_case NewtypeStrategy
+    tc_deriv_strategy (ViaStrategy ty) = do
+      cls_kind <- newMetaKindVar
+      ty' <- checkNoErrs $
+             tc_hs_sig_type_and_gen (SigTypeSkol user_ctxt) ty cls_kind
+      let (via_tvs, via_pred) = splitForAllTys ty'
+      tcExtendTyVarEnv via_tvs $ do
+        (thing_tvs, thing) <- thing_inside
+        pure (ViaStrategy via_pred, via_tvs ++ thing_tvs, thing)
+
+    boring_case :: mds -> TcM (mds, [TyVar], a)
+    boring_case mds = do
+      (thing_tvs, thing) <- thing_inside
+      pure (mds, thing_tvs, thing)
+
 tcHsClsInstType :: UserTypeCtxt    -- InstDeclCtxt or SpecInstCtxt
-                -> LHsSigType Name
+                -> LHsSigType GhcRn
                 -> TcM ([TyVar], ThetaType, Class, [Type])
 -- Like tcHsSigType, but for a class instance declaration
 tcHsClsInstType user_ctxt hs_inst_ty
   = setSrcSpan (getLoc (hsSigType hs_inst_ty)) $
-    do { inst_ty <- tc_hs_sig_type hs_inst_ty constraintKind
-       ; inst_ty <- kindGeneralizeType inst_ty
+    do { inst_ty <- tc_hs_sig_type_and_gen (SigTypeSkol user_ctxt) hs_inst_ty constraintKind
        ; checkValidInstance user_ctxt hs_inst_ty inst_ty }
 
--- Used for 'VECTORISE [SCALAR] instance' declarations
-tcHsVectInst :: LHsSigType Name -> TcM (Class, [Type])
-tcHsVectInst ty
-  | Just (L _ cls_name, tys) <- hsTyGetAppHead_maybe (hsSigType ty)
-    -- Ignoring the binders looks pretty dodgy to me
-  = do { (cls, cls_kind) <- tcClass cls_name
-       ; (applied_class, _res_kind)
-           <- tcInferApps typeLevelMode cls_name (mkClassPred cls []) cls_kind tys
-       ; case tcSplitTyConApp_maybe applied_class of
-           Just (_tc, args) -> ASSERT( _tc == classTyCon cls )
-                               return (cls, args)
-           _ -> failWithTc (text "Too many arguments passed to" <+> ppr cls_name) }
-  | otherwise
-  = failWithTc $ text "Malformed instance type"
-
 ----------------------------------------------
 -- | Type-check a visible type application
-tcHsTypeApp :: LHsWcType Name -> Kind -> TcM Type
+tcHsTypeApp :: LHsWcType GhcRn -> Kind -> TcM Type
+-- See Note [Recipe for checking a signature] in TcHsType
 tcHsTypeApp wc_ty kind
-  | HsWC { hswc_wcs = sig_wcs, hswc_body = hs_ty } <- wc_ty
-  = do { ty <- solveEqualities $
-               tcWildCardBindersX newWildTyVar sig_wcs $ \ _ ->
+  | HsWC { hswc_ext = sig_wcs, hswc_body = hs_ty } <- wc_ty
+  = do { ty <- solveLocalEqualities $
+               -- We are looking at a user-written type, very like a
+               -- signature so we want to solve its equalities right now
+               tcWildCardBindersX newWildTyVar Nothing sig_wcs $ \ _ ->
                tcCheckLHsType hs_ty kind
-       ; ty <- zonkTcType ty
+       ; ty <- zonkPromoteType ty
        ; checkValidType TypeAppCtxt ty
        ; return ty }
         -- NB: we don't call emitWildcardHoleConstraints here, because
         -- we want any holes in visible type applications to be used
         -- without fuss. No errors, warnings, extensions, etc.
+tcHsTypeApp (XHsWildCardBndrs _) _ = panic "tcHsTypeApp"
 
 {-
 ************************************************************************
 *                                                                      *
             The main kind checker: no validity checks here
-%*                                                                      *
-%************************************************************************
+*                                                                      *
+************************************************************************
 
         First a couple of simple wrappers for kcHsType
 -}
 
 ---------------------------
 tcHsOpenType, tcHsLiftedType,
-  tcHsOpenTypeNC, tcHsLiftedTypeNC :: LHsType Name -> TcM TcType
+  tcHsOpenTypeNC, tcHsLiftedTypeNC :: LHsType GhcRn -> TcM TcType
 -- Used for type signatures
 -- Do not do validity checking
 tcHsOpenType ty   = addTypeCtxt ty $ tcHsOpenTypeNC ty
@@ -310,32 +391,66 @@ tcHsOpenTypeNC   ty = do { ek <- newOpenTypeKind
 tcHsLiftedTypeNC ty = tc_lhs_type typeLevelMode ty liftedTypeKind
 
 -- Like tcHsType, but takes an expected kind
-tcCheckLHsType :: LHsType Name -> Kind -> TcM Type
+tcCheckLHsType :: LHsType GhcRn -> Kind -> TcM TcType
 tcCheckLHsType hs_ty exp_kind
   = addTypeCtxt hs_ty $
     tc_lhs_type typeLevelMode hs_ty exp_kind
 
-tcLHsType :: LHsType Name -> TcM (TcType, TcKind)
+tcLHsType :: LHsType GhcRn -> TcM (TcType, TcKind)
 -- Called from outside: set the context
 tcLHsType ty = addTypeCtxt ty (tc_infer_lhs_type typeLevelMode ty)
 
+-- Like tcLHsType, but use it in a context where type synonyms and type families
+-- do not need to be saturated, like in a GHCi :kind call
+tcLHsTypeUnsaturated :: LHsType GhcRn -> TcM (TcType, TcKind)
+tcLHsTypeUnsaturated ty = addTypeCtxt ty (tc_infer_lhs_type mode ty)
+  where
+    mode = allowUnsaturated typeLevelMode
+
 ---------------------------
 -- | Should we generalise the kind of this type signature?
--- We *should* generalise if the type is mentions no scoped type variables
+-- We *should* generalise if the type is closed
 -- or if NoMonoLocalBinds is set. Otherwise, nope.
-decideKindGeneralisationPlan :: Type -> TcM Bool
-decideKindGeneralisationPlan ty
+-- See Note [Kind generalisation plan]
+decideKindGeneralisationPlan :: LHsSigType GhcRn -> TcM Bool
+decideKindGeneralisationPlan sig_ty@(HsIB { hsib_ext
+                                            = HsIBRn { hsib_closed = closed } })
   = do { mono_locals <- xoptM LangExt.MonoLocalBinds
-       ; in_scope <- getInLocalScope
-       ; let fvs        = tyCoVarsOfTypeList ty
-             should_gen = not mono_locals || all (not . in_scope . getName) fvs
+       ; let should_gen = not mono_locals || closed
        ; traceTc "decideKindGeneralisationPlan"
-           (vcat [ text "type:" <+> ppr ty
-                 , text "ftvs:" <+> ppr fvs
-                 , text "should gen?" <+> ppr should_gen ])
+           (ppr sig_ty $$ text "should gen?" <+> ppr should_gen)
        ; return should_gen }
+decideKindGeneralisationPlan(XHsImplicitBndrs _)
+  = panic "decideKindGeneralisationPlan"
+
+{- Note [Kind generalisation plan]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+When should we do kind-generalisation for user-written type signature?
+Answer: we use the same rule as for value bindings:
+
+ * We always kind-generalise if the type signature is closed
+ * Additionally, we attempt to generalise if we have NoMonoLocalBinds
+
+Trac #13337 shows the problem if we kind-generalise an open type (i.e.
+one that mentions in-scope type variable
+  foo :: forall k (a :: k) proxy. (Typeable k, Typeable a)
+      => proxy a -> String
+  foo _ = case eqT :: Maybe (k :~: Type) of
+            Nothing   -> ...
+            Just Refl -> case eqT :: Maybe (a :~: Int) of ...
+
+In the expression type sig on the last line, we have (a :: k)
+but (Int :: Type).  Since (:~:) is kind-homogeneous, this requires
+k ~ *, which is true in the Refl branch of the outer case.
+
+That equality will be solved if we allow it to float out to the
+implication constraint for the Refl match, but not not if we aggressively
+attempt to solve all equalities the moment they occur; that is, when
+checking (Maybe (a :~: Int)).   (NB: solveEqualities fails unless it
+solves all the kind equalities, which is the right thing at top level.)
+
+So here the right thing is simply not to do kind generalisation!
 
-{-
 ************************************************************************
 *                                                                      *
       Type-checking modes
@@ -354,15 +469,21 @@ concern things that the renamer can't handle.
 -- differentiates only between types and kinds, but this will likely
 -- grow, at least to include the distinction between patterns and
 -- not-patterns.
-newtype TcTyMode
-  = TcTyMode { mode_level :: TypeOrKind  -- True <=> type, False <=> kind
+data TcTyMode
+  = TcTyMode { mode_level :: TypeOrKind
+             , mode_unsat :: Bool        -- True <=> allow unsaturated type families
              }
+ -- The mode_unsat field is solely so that type families/synonyms can be unsaturated
+ -- in GHCi :kind calls
 
 typeLevelMode :: TcTyMode
-typeLevelMode = TcTyMode { mode_level = TypeLevel }
+typeLevelMode = TcTyMode { mode_level = TypeLevel, mode_unsat = False }
 
 kindLevelMode :: TcTyMode
-kindLevelMode = TcTyMode { mode_level = KindLevel }
+kindLevelMode = TcTyMode { mode_level = KindLevel, mode_unsat = False }
+
+allowUnsaturated :: TcTyMode -> TcTyMode
+allowUnsaturated mode = mode { mode_unsat = True }
 
 -- switch to kind level
 kindLevel :: TcTyMode -> TcTyMode
@@ -389,7 +510,7 @@ metavariable.
 In types, however, we're not so lucky, because *we cannot re-generalize*!
 There is no lambda. So, we must be careful only to instantiate at the last
 possible moment, when we're sure we're never going to want the lost polymorphism
-again. This is done in calls to tcInstBinders and tcInstBindersX.
+again. This is done in calls to tcInstTyBinders.
 
 To implement this behavior, we use bidirectional type checking, where we
 explicitly think about whether we know the kind of the type we're checking
@@ -415,13 +536,45 @@ are mutually recursive, so that either one can work for any type former.
 But, we want to make sure that our pattern-matches are complete. So,
 we have a bunch of repetitive code just so that we get warnings if we're
 missing any patterns.
+
+Note [The tcType invariant]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+(IT1) If    tc_ty = tc_hs_type hs_ty exp_kind
+      then  typeKind tc_ty = exp_kind
+without any zonking needed.  The reason for this is that in
+tcInferApps we see (F ty), and we kind-check 'ty' with an
+expected-kind coming from F.  Then, to make the resulting application
+well kinded --- see Note [The well-kinded type invariant] in TcType ---
+we need the kind-checked 'ty' to have exactly the kind that F expects,
+with no funny zonking nonsense in between.
+
+The tcType invariant also applies to checkExpectedKind:
+
+(IT2) if
+        (tc_ty, _, _) = checkExpectedKind ty act_ki exp_ki
+      then
+        typeKind tc_ty = exp_ki
+
+These other invariants are all necessary, too, as these functions
+are used within tc_hs_type:
+
+(IT3) If (ty, ki) <- tc_infer_hs_type ..., then typeKind ty == ki.
+
+(IT4) If (ty, ki) <- tc_infer_hs_type ..., then zonk ki == ki.
+      (In other words, the result kind of tc_infer_hs_type is zonked.)
+
+(IT5) If (ty, ki) <- tcTyVar ..., then typeKind ty == ki.
+
+(IT6) If (ty, ki) <- tcTyVar ..., then zonk ki == ki.
+      (In other words, the result kind of tcTyVar is zonked.)
+
 -}
 
 ------------------------------------------
 -- | Check and desugar a type, returning the core type and its
 -- possibly-polymorphic kind. Much like 'tcInferRho' at the expression
 -- level.
-tc_infer_lhs_type :: TcTyMode -> LHsType Name -> TcM (TcType, TcKind)
+tc_infer_lhs_type :: TcTyMode -> LHsType GhcRn -> TcM (TcType, TcKind)
 tc_infer_lhs_type mode (L span ty)
   = setSrcSpan span $
     do { (ty', kind) <- tc_infer_hs_type mode ty
@@ -429,62 +582,93 @@ tc_infer_lhs_type mode (L span ty)
 
 -- | Infer the kind of a type and desugar. This is the "up" type-checker,
 -- as described in Note [Bidirectional type checking]
-tc_infer_hs_type :: TcTyMode -> HsType Name -> TcM (TcType, TcKind)
-tc_infer_hs_type mode (HsTyVar (L _ tv)) = tcTyVar mode tv
-tc_infer_hs_type mode (HsAppTy ty1 ty2)
-  = do { let (fun_ty, arg_tys) = splitHsAppTys ty1 [ty2]
-       ; (fun_ty', fun_kind) <- tc_infer_lhs_type mode fun_ty
-       ; fun_kind' <- zonkTcType fun_kind
-       ; tcInferApps mode fun_ty fun_ty' fun_kind' arg_tys }
-tc_infer_hs_type mode (HsParTy t)     = tc_infer_lhs_type mode t
-tc_infer_hs_type mode (HsOpTy lhs (L _ op) rhs)
-  | not (op `hasKey` funTyConKey)
-  = do { (op', op_kind) <- tcTyVar mode op
-       ; op_kind' <- zonkTcType op_kind
-       ; tcInferApps mode op op' op_kind' [lhs, rhs] }
-tc_infer_hs_type mode (HsKindSig ty sig)
-  = do { sig' <- tc_lhs_kind (kindLevel mode) sig
+tc_infer_hs_type :: TcTyMode -> HsType GhcRn -> TcM (TcType, TcKind)
+tc_infer_hs_type mode (HsParTy _ t)          = tc_infer_lhs_type mode t
+tc_infer_hs_type mode (HsTyVar _ _ (L _ tv)) = tcTyVar mode tv
+
+tc_infer_hs_type mode (HsAppTy _ ty1 ty2)
+  = do { let (hs_fun_ty, hs_arg_tys) = splitHsAppTys ty1 [ty2]
+       ; (fun_ty, fun_kind) <- tc_infer_lhs_type mode hs_fun_ty
+           -- NB: (IT4) of Note [The tcType invariant] ensures that fun_kind is zonked
+       ; tcTyApps mode hs_fun_ty fun_ty fun_kind hs_arg_tys }
+
+tc_infer_hs_type mode (HsOpTy _ lhs lhs_op@(L _ hs_op) rhs)
+  | not (hs_op `hasKey` funTyConKey)
+  = do { (op, op_kind) <- tcTyVar mode hs_op
+       ; tcTyApps mode (noLoc $ HsTyVar noExt NotPromoted lhs_op) op op_kind
+                       [lhs, rhs] }
+
+tc_infer_hs_type mode (HsKindSig _ ty sig)
+  = do { sig' <- tcLHsKindSig KindSigCtxt sig
+                 -- We must typecheck the kind signature, and solve all
+                 -- its equalities etc; from this point on we may do
+                 -- things like instantiate its foralls, so it needs
+                 -- to be fully determined (Trac #14904)
+       ; traceTc "tc_infer_hs_type:sig" (ppr ty $$ ppr sig')
        ; ty' <- tc_lhs_type mode ty sig'
        ; return (ty', sig') }
-tc_infer_hs_type mode (HsDocTy ty _) = tc_infer_lhs_type mode ty
-tc_infer_hs_type _    (HsCoreTy ty)  = return (ty, typeKind ty)
+
+-- HsSpliced is an annotation produced by 'RnSplice.rnSpliceType' to communicate
+-- the splice location to the typechecker. Here we skip over it in order to have
+-- the same kind inferred for a given expression whether it was produced from
+-- splices or not.
+--
+-- See Note [Delaying modFinalizers in untyped splices].
+tc_infer_hs_type mode (HsSpliceTy _ (HsSpliced _ _ (HsSplicedTy ty)))
+  = tc_infer_hs_type mode ty
+
+tc_infer_hs_type mode (HsDocTy _ ty _) = tc_infer_lhs_type mode ty
+tc_infer_hs_type _    (XHsType (NHsCoreTy ty))
+  = do { ty <- zonkTcType ty  -- (IT3) and (IT4) of Note [The tcType invariant]
+       ; return (ty, typeKind ty) }
 tc_infer_hs_type mode other_ty
   = do { kv <- newMetaKindVar
        ; ty' <- tc_hs_type mode other_ty kv
        ; return (ty', kv) }
 
 ------------------------------------------
-tc_lhs_type :: TcTyMode -> LHsType Name -> TcKind -> TcM TcType
+tc_lhs_type :: TcTyMode -> LHsType GhcRn -> TcKind -> TcM TcType
 tc_lhs_type mode (L span ty) exp_kind
   = setSrcSpan span $
-    do { ty' <- tc_hs_type mode ty exp_kind
-       ; return ty' }
+    tc_hs_type mode ty exp_kind
 
 ------------------------------------------
-tc_fun_type :: TcTyMode -> LHsType Name -> LHsType Name -> TcKind -> TcM TcType
+tc_fun_type :: TcTyMode -> LHsType GhcRn -> LHsType GhcRn -> TcKind
+            -> TcM TcType
 tc_fun_type mode ty1 ty2 exp_kind = case mode_level mode of
   TypeLevel ->
     do { arg_k <- newOpenTypeKind
        ; res_k <- newOpenTypeKind
        ; ty1' <- tc_lhs_type mode ty1 arg_k
        ; ty2' <- tc_lhs_type mode ty2 res_k
-       ; checkExpectedKind (mkFunTy ty1' ty2') liftedTypeKind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind (HsFunTy noExt ty1 ty2) (mkFunTy ty1' ty2')
+                           liftedTypeKind exp_kind }
   KindLevel ->  -- no representation polymorphism in kinds. yet.
     do { ty1' <- tc_lhs_type mode ty1 liftedTypeKind
        ; ty2' <- tc_lhs_type mode ty2 liftedTypeKind
-       ; checkExpectedKind (mkFunTy ty1' ty2') liftedTypeKind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind (HsFunTy noExt ty1 ty2) (mkFunTy ty1' ty2')
+                           liftedTypeKind exp_kind }
 
 ------------------------------------------
--- See also Note [Bidirectional type checking]
-tc_hs_type :: TcTyMode -> HsType Name -> TcKind -> TcM TcType
-tc_hs_type mode (HsParTy ty)   exp_kind = tc_lhs_type mode ty exp_kind
-tc_hs_type mode (HsDocTy ty _) exp_kind = tc_lhs_type mode ty exp_kind
-tc_hs_type _ ty@(HsBangTy {}) _
+tc_hs_type :: TcTyMode -> HsType GhcRn -> TcKind -> TcM TcType
+-- See Note [The tcType invariant]
+-- See Note [Bidirectional type checking]
+
+tc_hs_type mode (HsParTy _ ty)   exp_kind = tc_lhs_type mode ty exp_kind
+tc_hs_type mode (HsDocTy _ ty _) exp_kind = tc_lhs_type mode ty exp_kind
+tc_hs_type _ ty@(HsBangTy _ bang _) _
     -- While top-level bangs at this point are eliminated (eg !(Maybe Int)),
     -- other kinds of bangs are not (eg ((!Maybe) Int)). These kinds of
-    -- bangs are invalid, so fail. (#7210)
-    = failWithTc (text "Unexpected strictness annotation:" <+> ppr ty)
-tc_hs_type _ ty@(HsRecTy _)      _
+    -- bangs are invalid, so fail. (#7210, #14761)
+    = do { let bangError err = failWith $
+                 text "Unexpected" <+> text err <+> text "annotation:" <+> ppr ty $$
+                 text err <+> text "annotation cannot appear nested inside a type"
+         ; case bang of
+             HsSrcBang _ SrcUnpack _           -> bangError "UNPACK"
+             HsSrcBang _ SrcNoUnpack _         -> bangError "NOUNPACK"
+             HsSrcBang _ NoSrcUnpack SrcLazy   -> bangError "laziness"
+             HsSrcBang _ _ _                   -> bangError "strictness" }
+tc_hs_type _ ty@(HsRecTy {})      _
       -- Record types (which only show up temporarily in constructor
       -- signatures) should have been removed by now
     = failWithTc (text "Record syntax is illegal here:" <+> ppr ty)
@@ -494,9 +678,7 @@ tc_hs_type _ ty@(HsRecTy _)      _
 -- while capturing the local environment.
 --
 -- See Note [Delaying modFinalizers in untyped splices].
-tc_hs_type mode (HsSpliceTy (HsSpliced mod_finalizers (HsSplicedTy ty))
-                            _
-                )
+tc_hs_type mode (HsSpliceTy _ (HsSpliced _ mod_finalizers (HsSplicedTy ty)))
            exp_kind
   = do addModFinalizersWithLclEnv mod_finalizers
        tc_hs_type mode ty exp_kind
@@ -506,23 +688,21 @@ tc_hs_type _ ty@(HsSpliceTy {}) _exp_kind
   = failWithTc (text "Unexpected type splice:" <+> ppr ty)
 
 ---------- Functions and applications
-tc_hs_type mode (HsFunTy ty1 ty2) exp_kind
+tc_hs_type mode (HsFunTy ty1 ty2) exp_kind
   = tc_fun_type mode ty1 ty2 exp_kind
 
-tc_hs_type mode (HsOpTy ty1 (L _ op) ty2) exp_kind
+tc_hs_type mode (HsOpTy ty1 (L _ op) ty2) exp_kind
   | op `hasKey` funTyConKey
   = tc_fun_type mode ty1 ty2 exp_kind
 
 --------- Foralls
-tc_hs_type mode (HsForAllTy { hst_bndrs = hs_tvs, hst_body = ty }) exp_kind
-  = fmap fst $
-    tcExplicitTKBndrs hs_tvs $ \ tvs' ->
+tc_hs_type mode forall@(HsForAllTy { hst_bndrs = hs_tvs, hst_body = ty }) exp_kind
+  = do { (tvs', ty') <- tcExplicitTKBndrs (ForAllSkol (ppr forall)) hs_tvs $
+                        tc_lhs_type mode ty exp_kind
     -- Do not kind-generalise here!  See Note [Kind generalisation]
     -- Why exp_kind?  See Note [Body kind of HsForAllTy]
-    do { ty' <- tc_lhs_type mode ty exp_kind
-       ; let bound_vars = allBoundVariables ty'
-             bndrs      = mkTyVarBinders Specified tvs'
-       ; return (mkForAllTys bndrs ty', bound_vars) }
+       ; let bndrs      = mkTyVarBinders Specified tvs'
+       ; return (mkForAllTys bndrs ty') }
 
 tc_hs_type mode (HsQualTy { hst_ctxt = ctxt, hst_body = ty }) exp_kind
   | null (unLoc ctxt)
@@ -532,35 +712,29 @@ tc_hs_type mode (HsQualTy { hst_ctxt = ctxt, hst_body = ty }) exp_kind
   = do { ctxt' <- tc_hs_context mode ctxt
 
          -- See Note [Body kind of a HsQualTy]
-       ; ty' <- if isConstraintKind exp_kind
+       ; ty' <- if tcIsConstraintKind exp_kind
                 then tc_lhs_type mode ty constraintKind
                 else do { ek <- newOpenTypeKind
                                 -- The body kind (result of the function)
-                                -- can be * or #, hence newOpenTypeKind
-                        ; ty <- tc_lhs_type mode ty ek
-                        ; checkExpectedKind ty liftedTypeKind exp_kind }
+                                -- can be TYPE r, for any r, hence newOpenTypeKind
+                        ; ty' <- tc_lhs_type mode ty ek
+                        ; checkExpectedKind (unLoc ty) ty' liftedTypeKind exp_kind }
 
        ; return (mkPhiTy ctxt' ty') }
 
 --------- Lists, arrays, and tuples
-tc_hs_type mode (HsListTy elt_ty) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsListTy _ elt_ty) exp_kind
   = do { tau_ty <- tc_lhs_type mode elt_ty liftedTypeKind
        ; checkWiredInTyCon listTyCon
-       ; checkExpectedKind (mkListTy tau_ty) liftedTypeKind exp_kind }
-
-tc_hs_type mode (HsPArrTy elt_ty) exp_kind
-  = do { MASSERT( isTypeLevel (mode_level mode) )
-       ; tau_ty <- tc_lhs_type mode elt_ty liftedTypeKind
-       ; checkWiredInTyCon parrTyCon
-       ; checkExpectedKind (mkPArrTy tau_ty) liftedTypeKind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkListTy tau_ty) liftedTypeKind exp_kind }
 
 -- See Note [Distinguishing tuple kinds] in HsTypes
 -- See Note [Inferring tuple kinds]
-tc_hs_type mode (HsTupleTy HsBoxedOrConstraintTuple hs_tys) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsTupleTy _ HsBoxedOrConstraintTuple hs_tys) exp_kind
      -- (NB: not zonking before looking at exp_k, to avoid left-right bias)
   | Just tup_sort <- tupKindSort_maybe exp_kind
   = traceTc "tc_hs_type tuple" (ppr hs_tys) >>
-    tc_tuple mode tup_sort hs_tys exp_kind
+    tc_tuple rn_ty mode tup_sort hs_tys exp_kind
   | otherwise
   = do { traceTc "tc_hs_type tuple 2" (ppr hs_tys)
        ; (tys, kinds) <- mapAndUnzipM (tc_infer_lhs_type mode) hs_tys
@@ -578,14 +752,14 @@ tc_hs_type mode (HsTupleTy HsBoxedOrConstraintTuple hs_tys) exp_kind
          -- In the [] case, it's not clear what the kind is, so guess *
 
        ; tys' <- sequence [ setSrcSpan loc $
-                            checkExpectedKind ty kind arg_kind
-                          | ((L loc _),ty,kind) <- zip3 hs_tys tys kinds ]
+                            checkExpectedKind hs_ty ty kind arg_kind
+                          | ((L loc hs_ty),ty,kind) <- zip3 hs_tys tys kinds ]
 
-       ; finish_tuple tup_sort tys' (map (const arg_kind) tys') exp_kind }
+       ; finish_tuple rn_ty tup_sort tys' (map (const arg_kind) tys') exp_kind }
 
 
-tc_hs_type mode (HsTupleTy hs_tup_sort tys) exp_kind
-  = tc_tuple mode tup_sort tys exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsTupleTy _ hs_tup_sort tys) exp_kind
+  = tc_tuple rn_ty mode tup_sort tys exp_kind
   where
     tup_sort = case hs_tup_sort of  -- Fourth case dealt with above
                   HsUnboxedTuple    -> UnboxedTuple
@@ -593,25 +767,29 @@ tc_hs_type mode (HsTupleTy hs_tup_sort tys) exp_kind
                   HsConstraintTuple -> ConstraintTuple
                   _                 -> panic "tc_hs_type HsTupleTy"
 
-tc_hs_type mode (HsSumTy hs_tys) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsSumTy _ hs_tys) exp_kind
   = do { let arity = length hs_tys
        ; arg_kinds <- mapM (\_ -> newOpenTypeKind) hs_tys
        ; tau_tys   <- zipWithM (tc_lhs_type mode) hs_tys arg_kinds
-       ; let arg_tys = map (getRuntimeRepFromKind "tc_hs_type HsSumTy") arg_kinds ++ tau_tys
-       ; checkExpectedKind (mkTyConApp (sumTyCon arity) arg_tys) (tYPE unboxedSumRepDataConTy) exp_kind
+       ; let arg_reps = map getRuntimeRepFromKind arg_kinds
+             arg_tys  = arg_reps ++ tau_tys
+       ; checkExpectedKind rn_ty
+                           (mkTyConApp (sumTyCon arity) arg_tys)
+                           (unboxedSumKind arg_reps)
+                           exp_kind
        }
 
 --------- Promoted lists and tuples
-tc_hs_type mode (HsExplicitListTy _k tys) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsExplicitListTy _ _ tys) exp_kind
   = do { tks <- mapM (tc_infer_lhs_type mode) tys
-       ; (taus', kind) <- unifyKinds tks
+       ; (taus', kind) <- unifyKinds tys tks
        ; let ty = (foldr (mk_cons kind) (mk_nil kind) taus')
-       ; checkExpectedKind ty (mkListTy kind) exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty ty (mkListTy kind) exp_kind }
   where
     mk_cons k a b = mkTyConApp (promoteDataCon consDataCon) [k, a, b]
     mk_nil  k     = mkTyConApp (promoteDataCon nilDataCon) [k]
 
-tc_hs_type mode (HsExplicitTupleTy _ tys) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsExplicitTupleTy _ tys) exp_kind
   -- using newMetaKindVar means that we force instantiations of any polykinded
   -- types. At first, I just used tc_infer_lhs_type, but that led to #11255.
   = do { ks   <- replicateM arity newMetaKindVar
@@ -619,35 +797,32 @@ tc_hs_type mode (HsExplicitTupleTy _ tys) exp_kind
        ; let kind_con   = tupleTyCon           Boxed arity
              ty_con     = promotedTupleDataCon Boxed arity
              tup_k      = mkTyConApp kind_con ks
-       ; checkExpectedKind (mkTyConApp ty_con (ks ++ taus)) tup_k exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkTyConApp ty_con (ks ++ taus)) tup_k exp_kind }
   where
     arity = length tys
 
 --------- Constraint types
-tc_hs_type mode (HsIParamTy n ty) exp_kind
+tc_hs_type mode rn_ty@(HsIParamTy _ (L _ n) ty) exp_kind
   = do { MASSERT( isTypeLevel (mode_level mode) )
        ; ty' <- tc_lhs_type mode ty liftedTypeKind
        ; let n' = mkStrLitTy $ hsIPNameFS n
        ; ipClass <- tcLookupClass ipClassName
-       ; checkExpectedKind (mkClassPred ipClass [n',ty'])
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkClassPred ipClass [n',ty'])
            constraintKind exp_kind }
 
-tc_hs_type mode (HsEqTy ty1 ty2) exp_kind
-  = do { (ty1', kind1) <- tc_infer_lhs_type mode ty1
-       ; (ty2', kind2) <- tc_infer_lhs_type mode ty2
-       ; ty2'' <- checkExpectedKind ty2' kind2 kind1
-       ; eq_tc <- tcLookupTyCon eqTyConName
-       ; let ty' = mkNakedTyConApp eq_tc [kind1, ty1', ty2'']
-       ; checkExpectedKind ty' constraintKind exp_kind }
+tc_hs_type _ rn_ty@(HsStarTy _ _) exp_kind
+  -- Desugaring 'HsStarTy' to 'Data.Kind.Type' here means that we don't have to
+  -- handle it in 'coreView' and 'tcView'.
+  = checkExpectedKind rn_ty liftedTypeKind liftedTypeKind exp_kind
 
 --------- Literals
-tc_hs_type _ (HsTyLit (HsNumTy _ n)) exp_kind
+tc_hs_type _ rn_ty@(HsTyLit _ (HsNumTy _ n)) exp_kind
   = do { checkWiredInTyCon typeNatKindCon
-       ; checkExpectedKind (mkNumLitTy n) typeNatKind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkNumLitTy n) typeNatKind exp_kind }
 
-tc_hs_type _ (HsTyLit (HsStrTy _ s)) exp_kind
+tc_hs_type _ rn_ty@(HsTyLit _ (HsStrTy _ s)) exp_kind
   = do { checkWiredInTyCon typeSymbolKindCon
-       ; checkExpectedKind (mkStrLitTy s) typeSymbolKind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkStrLitTy s) typeSymbolKind exp_kind }
 
 --------- Potentially kind-polymorphic types: call the "up" checker
 -- See Note [Future-proofing the type checker]
@@ -655,62 +830,60 @@ tc_hs_type mode ty@(HsTyVar {})   ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
 tc_hs_type mode ty@(HsAppTy {})   ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
 tc_hs_type mode ty@(HsOpTy {})    ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
 tc_hs_type mode ty@(HsKindSig {}) ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
-tc_hs_type mode ty@(HsCoreTy {})  ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
+tc_hs_type mode ty@(XHsType (NHsCoreTy{})) ek = tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
 
 tc_hs_type _ (HsWildCardTy wc) exp_kind
-  = do { wc_tv <- tcWildCardOcc wc exp_kind
-       ; return (mkTyVarTy wc_tv) }
-
--- disposed of by renamer
-tc_hs_type _ ty@(HsAppsTy {}) _
-  = pprPanic "tc_hs_tyep HsAppsTy" (ppr ty)
+  = do { wc_ty <- tcWildCardOcc wc exp_kind
+       ; return (mkNakedCastTy wc_ty (mkTcNomReflCo exp_kind))
+         -- Take care here! Even though the coercion is Refl,
+         -- we still need it to establish Note [The tcType invariant]
+       }
 
-tcWildCardOcc :: HsWildCardInfo Name -> Kind -> TcM TcTyVar
+tcWildCardOcc :: HsWildCardInfo -> Kind -> TcM TcType
 tcWildCardOcc wc_info exp_kind
   = do { wc_tv <- tcLookupTyVar (wildCardName wc_info)
           -- The wildcard's kind should be an un-filled-in meta tyvar
-       ; let Just wc_kind_var = tcGetTyVar_maybe (tyVarKind wc_tv)
-       ; writeMetaTyVar wc_kind_var exp_kind
-       ; return wc_tv }
+       ; checkExpectedKind (HsWildCardTy wc_info) (mkTyVarTy wc_tv)
+                           (tyVarKind wc_tv) exp_kind }
 
 ---------------------------
 -- | Call 'tc_infer_hs_type' and check its result against an expected kind.
-tc_infer_hs_type_ek :: TcTyMode -> HsType Name -> TcKind -> TcM TcType
-tc_infer_hs_type_ek mode ty ek
-  = do { (ty', k) <- tc_infer_hs_type mode ty
-       ; checkExpectedKind ty' k ek }
+tc_infer_hs_type_ek :: HasDebugCallStack => TcTyMode -> HsType GhcRn -> TcKind -> TcM TcType
+tc_infer_hs_type_ek mode hs_ty ek
+  = do { (ty, k) <- tc_infer_hs_type mode hs_ty
+       ; checkExpectedKind hs_ty ty k ek }
 
 ---------------------------
 tupKindSort_maybe :: TcKind -> Maybe TupleSort
 tupKindSort_maybe k
   | Just (k', _) <- splitCastTy_maybe k = tupKindSort_maybe k'
-  | Just k'      <- coreView k          = tupKindSort_maybe k'
-  | isConstraintKind k = Just ConstraintTuple
-  | isLiftedTypeKind k = Just BoxedTuple
-  | otherwise          = Nothing
+  | Just k'      <- tcView k            = tupKindSort_maybe k'
+  | tcIsConstraintKind k = Just ConstraintTuple
+  | tcIsLiftedTypeKind k   = Just BoxedTuple
+  | otherwise            = Nothing
 
-tc_tuple :: TcTyMode -> TupleSort -> [LHsType Name] -> TcKind -> TcM TcType
-tc_tuple mode tup_sort tys exp_kind
+tc_tuple :: HsType GhcRn -> TcTyMode -> TupleSort -> [LHsType GhcRn] -> TcKind -> TcM TcType
+tc_tuple rn_ty mode tup_sort tys exp_kind
   = do { arg_kinds <- case tup_sort of
            BoxedTuple      -> return (nOfThem arity liftedTypeKind)
            UnboxedTuple    -> mapM (\_ -> newOpenTypeKind) tys
            ConstraintTuple -> return (nOfThem arity constraintKind)
        ; tau_tys <- zipWithM (tc_lhs_type mode) tys arg_kinds
-       ; finish_tuple tup_sort tau_tys arg_kinds exp_kind }
+       ; finish_tuple rn_ty tup_sort tau_tys arg_kinds exp_kind }
   where
     arity   = length tys
 
-finish_tuple :: TupleSort
+finish_tuple :: HsType GhcRn
+             -> TupleSort
              -> [TcType]    -- ^ argument types
              -> [TcKind]    -- ^ of these kinds
              -> TcKind      -- ^ expected kind of the whole tuple
              -> TcM TcType
-finish_tuple tup_sort tau_tys tau_kinds exp_kind
+finish_tuple rn_ty tup_sort tau_tys tau_kinds exp_kind
   = do { traceTc "finish_tuple" (ppr res_kind $$ ppr tau_kinds $$ ppr exp_kind)
        ; let arg_tys  = case tup_sort of
                    -- See also Note [Unboxed tuple RuntimeRep vars] in TyCon
-                 UnboxedTuple    -> map (getRuntimeRepFromKind "finish_tuple") tau_kinds
-                                    ++ tau_tys
+                 UnboxedTuple    -> tau_reps ++ tau_tys
                  BoxedTuple      -> tau_tys
                  ConstraintTuple -> tau_tys
        ; tycon <- case tup_sort of
@@ -722,13 +895,12 @@ finish_tuple tup_sort tau_tys tau_kinds exp_kind
                                ; checkWiredInTyCon tc
                                ; return tc }
            UnboxedTuple  -> return (tupleTyCon Unboxed arity)
-       ; checkExpectedKind (mkTyConApp tycon arg_tys) res_kind exp_kind }
+       ; checkExpectedKind rn_ty (mkTyConApp tycon arg_tys) res_kind exp_kind }
   where
     arity = length tau_tys
+    tau_reps = map getRuntimeRepFromKind tau_kinds
     res_kind = case tup_sort of
-                 UnboxedTuple
-                   | arity == 0  -> tYPE voidRepDataConTy
-                   | otherwise   -> unboxedTupleKind
+                 UnboxedTuple    -> unboxedTupleKind tau_reps
                  BoxedTuple      -> liftedTypeKind
                  ConstraintTuple -> constraintKind
 
@@ -740,170 +912,226 @@ bigConstraintTuple arity
 
 ---------------------------
 -- | Apply a type of a given kind to a list of arguments. This instantiates
--- invisible parameters as necessary. However, it does *not* necessarily
--- apply all the arguments, if the kind runs out of binders.
--- Never calls 'matchExpectedFunKind'; when the kind runs out of binders,
--- this stops processing.
+-- invisible parameters as necessary. Always consumes all the arguments,
+-- using matchExpectedFunKind as necessary.
 -- This takes an optional @VarEnv Kind@ which maps kind variables to kinds.
 -- These kinds should be used to instantiate invisible kind variables;
 -- they come from an enclosing class for an associated type/data family.
--- This version will instantiate all invisible arguments left over after
--- the visible ones. Used only when typechecking type/data family patterns
--- (where we need to instantiate all remaining invisible parameters; for
--- example, consider @type family F :: k where F = Int; F = Maybe@. We
--- need to instantiate the @k@.)
-tcInferArgs :: Outputable fun
-            => fun                      -- ^ the function
-            -> [TyConBinder]            -- ^ function kind's binders
-            -> Maybe (VarEnv Kind)      -- ^ possibly, kind info (see above)
-            -> [LHsType Name]           -- ^ args
-            -> TcM (TCvSubst, [TyBinder], [TcType], [LHsType Name], Int)
-               -- ^ (instantiating subst, un-insted leftover binders,
-               --   typechecked args, untypechecked args, n)
-tcInferArgs fun tc_binders mb_kind_info args
-  = do { let binders = tyConBindersTyBinders tc_binders  -- UGH!
-       ; (subst, leftover_binders, args', leftovers, n)
-           <- tc_infer_args typeLevelMode fun binders mb_kind_info args 1
-        -- now, we need to instantiate any remaining invisible arguments
-       ; let (invis_bndrs, other_binders) = break isVisibleBinder leftover_binders
-       ; (subst', invis_args)
-           <- tcInstBindersX subst mb_kind_info invis_bndrs
-       ; return ( subst'
-                , other_binders
-                , args' `chkAppend` invis_args
-                , leftovers, n ) }
-
--- | See comments for 'tcInferArgs'. But this version does not instantiate
--- any remaining invisible arguments.
-tc_infer_args :: Outputable fun
-              => TcTyMode
-              -> fun                      -- ^ the function
-              -> [TyBinder]               -- ^ function kind's binders (zonked)
-              -> Maybe (VarEnv Kind)      -- ^ possibly, kind info (see above)
-              -> [LHsType Name]           -- ^ args
-              -> Int                      -- ^ number to start arg counter at
-              -> TcM (TCvSubst, [TyBinder], [TcType], [LHsType Name], Int)
-tc_infer_args mode orig_ty binders mb_kind_info orig_args n0
-  = go emptyTCvSubst binders orig_args n0 []
+tcInferApps :: TcTyMode
+            -> Maybe (VarEnv Kind)  -- ^ Possibly, kind info (see above)
+            -> LHsType GhcRn        -- ^ Function (for printing only)
+            -> TcType               -- ^ Function (could be knot-tied)
+            -> TcKind               -- ^ Function kind (zonked)
+            -> [LHsType GhcRn]      -- ^ Args
+            -> TcM (TcType, [TcType], TcKind) -- ^ (f args, args, result kind)
+-- Precondition: typeKind fun_ty = fun_ki
+--    Reason: we will return a type application like (fun_ty arg1 ... argn),
+--            and that type must be well-kinded
+--            See Note [The tcType invariant]
+-- Postcondition: Result kind is zonked.
+tcInferApps mode mb_kind_info orig_hs_ty fun_ty fun_ki orig_hs_args
+  = do { traceTc "tcInferApps {" (ppr orig_hs_ty $$ ppr orig_hs_args $$ ppr fun_ki)
+       ; (f_args, args, res_k) <- go 1 [] empty_subst fun_ty orig_ki_binders orig_inner_ki orig_hs_args
+       ; traceTc "tcInferApps }" empty
+       ; res_k <- zonkTcType res_k  -- nec'y to uphold (IT4) of Note [The tcType invariant]
+       ; return (f_args, args, res_k) }
   where
-    go subst binders []   n acc
-      = return ( subst, binders, reverse acc, [], n )
-    -- when we call this when checking type family patterns, we really
-    -- do want to instantiate all invisible arguments. During other
-    -- typechecking, we don't.
-
-    go subst (binder:binders) all_args@(arg:args) n acc
-      | isInvisibleBinder binder
-      = do { traceTc "tc_infer_args (invis)" (ppr binder)
-           ; (subst', arg') <- tcInstBinderX mb_kind_info subst binder
-           ; go subst' binders all_args n (arg' : acc) }
+    empty_subst                      = mkEmptyTCvSubst $ mkInScopeSet $
+                                       tyCoVarsOfType fun_ki
+    (orig_ki_binders, orig_inner_ki) = tcSplitPiTys fun_ki
+
+    go :: Int             -- the # of the next argument
+       -> [TcType]        -- already type-checked args, in reverse order
+       -> TCvSubst        -- instantiating substitution
+       -> TcType          -- function applied to some args, could be knot-tied
+       -> [TyBinder]      -- binders in function kind (both vis. and invis.)
+       -> TcKind          -- function kind body (not a Pi-type)
+       -> [LHsType GhcRn] -- un-type-checked args
+       -> TcM (TcType, [TcType], TcKind)  -- same as overall return type
+
+      -- no user-written args left. We're done!
+    go _ acc_args subst fun ki_binders inner_ki []
+      = return ( fun
+               , reverse acc_args
+               , nakedSubstTy subst $ mkPiTys ki_binders inner_ki)
+                 -- nakedSubstTy: see Note [The well-kinded type invariant]
+
+      -- The function's kind has a binder. Is it visible or invisible?
+    go n acc_args subst fun (ki_binder:ki_binders) inner_ki
+       all_args@(arg:args)
+      | isInvisibleBinder ki_binder
+        -- It's invisible. Instantiate.
+      = do { traceTc "tcInferApps (invis)" (ppr ki_binder $$ ppr subst)
+           ; (subst', arg') <- tcInstTyBinder mb_kind_info subst ki_binder
+           ; go n (arg' : acc_args) subst' (mkNakedAppTy fun arg')
+                ki_binders inner_ki all_args }
 
       | otherwise
-      = do { traceTc "tc_infer_args (vis)" (ppr binder $$ ppr arg)
-           ; arg' <- addErrCtxt (funAppCtxt orig_ty arg n) $
-                     tc_lhs_type mode arg (substTyUnchecked subst $
-                                           tyBinderType binder)
-           ; let subst' = extendTvSubstBinder subst binder arg'
-           ; go subst' binders args (n+1) (arg' : acc) }
+        -- It's visible. Check the next user-written argument
+      = do { traceTc "tcInferApps (vis)" (vcat [ ppr ki_binder, ppr arg
+                                               , ppr (tyBinderType ki_binder)
+                                               , ppr subst ])
+           ; let exp_kind = nakedSubstTy subst $ tyBinderType ki_binder
+                            -- nakedSubstTy: see Note [The well-kinded type invariant]
+           ; arg' <- addErrCtxt (funAppCtxt orig_hs_ty arg n) $
+                     tc_lhs_type mode arg exp_kind
+           ; traceTc "tcInferApps (vis 1)" (vcat [ ppr exp_kind
+                                                 , ppr (typeKind arg') ])
+           ; let subst' = extendTvSubstBinderAndInScope subst ki_binder arg'
+           ; go (n+1) (arg' : acc_args) subst'
+                (mkNakedAppTy fun arg') -- See Note [The well-kinded type invariant]
+                ki_binders inner_ki args }
+
+       -- We've run out of known binders in the functions's kind.
+    go n acc_args subst fun [] inner_ki all_args
+      | not (null new_ki_binders)
+         -- But, after substituting, we have more binders.
+      = go n acc_args zapped_subst fun new_ki_binders new_inner_ki all_args
+
+      | otherwise
+         -- Even after substituting, still no binders. Use matchExpectedFunKind
+      = do { traceTc "tcInferApps (no binder)" (ppr new_inner_ki $$ ppr zapped_subst)
+           ; (co, arg_k, res_k) <- matchExpectedFunKind hs_ty substed_inner_ki
+           ; let new_in_scope = tyCoVarsOfTypes [arg_k, res_k]
+                 subst'       = zapped_subst `extendTCvInScopeSet` new_in_scope
+           ; go n acc_args subst'
+                (fun `mkNakedCastTy` co)  -- See Note [The well-kinded type invariant]
+                [mkAnonBinder arg_k]
+                res_k all_args }
+      where
+        substed_inner_ki               = substTy subst inner_ki
+        (new_ki_binders, new_inner_ki) = tcSplitPiTys substed_inner_ki
+        zapped_subst                   = zapTCvSubst subst
+        hs_ty = mkHsAppTys orig_hs_ty (take (n-1) orig_hs_args)
 
-    go subst [] all_args n acc
-      = return (subst, [], reverse acc, all_args, n)
 
 -- | Applies a type to a list of arguments.
 -- Always consumes all the arguments, using 'matchExpectedFunKind' as
 -- necessary. If you wish to apply a type to a list of HsTypes, this is
 -- your function.
 -- Used for type-checking types only.
-tcInferApps :: Outputable fun
-            => TcTyMode
-            -> fun                  -- ^ Function (for printing only)
-            -> TcType               -- ^ Function (could be knot-tied)
-            -> TcKind               -- ^ Function kind (zonked)
-            -> [LHsType Name]       -- ^ Args
-            -> TcM (TcType, TcKind) -- ^ (f args, result kind)
-tcInferApps mode orig_ty ty ki args = go ty ki args 1
-  where
-    go fun fun_kind []   _ = return (fun, fun_kind)
-    go fun fun_kind args n
-      | let (binders, res_kind) = splitPiTys fun_kind
-      , not (null binders)
-      = do { (subst, leftover_binders, args', leftover_args, n')
-                <- tc_infer_args mode orig_ty binders Nothing args n
-           ; let fun_kind' = substTyUnchecked subst $
-                             mkPiTys leftover_binders res_kind
-           ; go (mkNakedAppTys fun args') fun_kind' leftover_args n' }
-
-    go fun fun_kind all_args@(arg:args) n
-      = do { (co, arg_k, res_k) <- matchExpectedFunKind (length all_args)
-                                                        fun fun_kind
-           ; arg' <- addErrCtxt (funAppCtxt orig_ty arg n) $
-                     tc_lhs_type mode arg arg_k
-           ; go (mkNakedAppTy (fun `mkNakedCastTy` co) arg')
-                res_k args (n+1) }
+tcTyApps :: TcTyMode
+         -> LHsType GhcRn        -- ^ Function (for printing only)
+         -> TcType               -- ^ Function (could be knot-tied)
+         -> TcKind               -- ^ Function kind (zonked)
+         -> [LHsType GhcRn]      -- ^ Args
+         -> TcM (TcType, TcKind) -- ^ (f args, result kind)   result kind is zonked
+-- Precondition: see precondition for tcInferApps
+tcTyApps mode orig_hs_ty fun_ty fun_ki args
+  = do { (ty', _args, ki') <- tcInferApps mode Nothing orig_hs_ty fun_ty fun_ki args
+       ; return (ty' `mkNakedCastTy` mkRepReflCo ki', ki') }
+          -- The mkNakedCastTy is for (IT3) of Note [The tcType invariant]
 
 --------------------------
-checkExpectedKind :: TcType               -- the type whose kind we're checking
-                  -> TcKind               -- the known kind of that type, k
-                  -> TcKind               -- the expected kind, exp_kind
-                  -> TcM TcType    -- a possibly-inst'ed, casted type :: exp_kind
+-- Like checkExpectedKindX, but returns only the final type; convenient wrapper
+-- Obeys Note [The tcType invariant]
+checkExpectedKind :: HasDebugCallStack
+                  => HsType GhcRn   -- type we're checking (for printing)
+                  -> TcType         -- type we're checking (might be knot-tied)
+                  -> TcKind         -- the known kind of that type
+                  -> TcKind         -- the expected kind
+                  -> TcM TcType
+checkExpectedKind hs_ty ty act exp
+  = fstOf3 <$> checkExpectedKindX Nothing (ppr hs_ty) ty act exp
+
+checkExpectedKindX :: HasDebugCallStack
+                   => Maybe (VarEnv Kind)  -- Possibly, instantiations for kind vars
+                   -> SDoc                 -- HsType whose kind we're checking
+                   -> TcType               -- the type whose kind we're checking
+                   -> TcKind               -- the known kind of that type, k
+                   -> TcKind               -- the expected kind, exp_kind
+                   -> TcM (TcType, [TcType], TcCoercionN)
+    -- (the new args, the coercion)
 -- Instantiate a kind (if necessary) and then call unifyType
 --      (checkExpectedKind ty act_kind exp_kind)
 -- checks that the actual kind act_kind is compatible
 --      with the expected kind exp_kind
-checkExpectedKind ty act_kind exp_kind
- = do { (ty', act_kind') <- instantiate ty act_kind exp_kind
+checkExpectedKindX mb_kind_env pp_hs_ty ty act_kind exp_kind
+ = do { -- We need to make sure that both kinds have the same number of implicit
+        -- foralls out front. If the actual kind has more, instantiate accordingly.
+        -- Otherwise, just pass the type & kind through: the errors are caught
+        -- in unifyType.
+        let (exp_bndrs, _) = splitPiTysInvisible exp_kind
+            n_exp          = length exp_bndrs
+      ; (new_args, act_kind') <- instantiateTyUntilN mb_kind_env n_exp act_kind
+
       ; let origin = TypeEqOrigin { uo_actual   = act_kind'
                                   , uo_expected = exp_kind
-                                  , uo_thing    = Just $ mkTypeErrorThing ty'
-                                  }
-      ; co_k <- uType origin KindLevel act_kind' exp_kind
-      ; traceTc "checkExpectedKind" (vcat [ ppr act_kind
-                                          , ppr exp_kind
-                                          , ppr co_k ])
-      ; let result_ty = ty' `mkNakedCastTy` co_k
-      ; return result_ty }
+                                  , uo_thing    = Just pp_hs_ty
+                                  , uo_visible  = True } -- the hs_ty is visible
+            ty' = mkNakedAppTys ty new_args
+
+      ; traceTc "checkExpectedKind" $
+        vcat [ pp_hs_ty
+             , text "act_kind:" <+> ppr act_kind
+             , text "act_kind':" <+> ppr act_kind'
+             , text "exp_kind:" <+> ppr exp_kind ]
+
+      ; if act_kind' `tcEqType` exp_kind
+        then return (ty', new_args, mkTcNomReflCo exp_kind)  -- This is very common
+        else do { co_k <- uType KindLevel origin act_kind' exp_kind
+                ; traceTc "checkExpectedKind" (vcat [ ppr act_kind
+                                                    , ppr exp_kind
+                                                    , ppr co_k ])
+                ; let result_ty = ty' `mkNakedCastTy` co_k
+                      -- See Note [The tcType invariant]
+                ; return (result_ty, new_args, co_k) } }
+
+-- | Instantiate @n@ invisible arguments to a type. If @n <= 0@, no instantiation
+-- occurs. If @n@ is too big, then all available invisible arguments are instantiated.
+-- (In other words, this function is very forgiving about bad values of @n@.)
+-- Why zonk the result? So that tcTyVar can obey (IT6) of Note [The tcType invariant]
+instantiateTyN :: Maybe (VarEnv Kind)              -- ^ Predetermined instantiations
+                                                   -- (for assoc. type patterns)
+               -> Int                              -- ^ @n@
+               -> [TyBinder] -> TcKind             -- ^ its kind (zonked)
+               -> TcM ([TcType], TcKind)   -- ^ The inst'ed type, new args, kind (zonked)
+instantiateTyN mb_kind_env n bndrs inner_ki
+  | n <= 0
+  = return ([], ki)
+
+  | otherwise
+  = do { (subst, inst_args) <- tcInstTyBinders empty_subst mb_kind_env inst_bndrs
+       ; let rebuilt_ki = mkPiTys leftover_bndrs inner_ki
+       ; ki' <- zonkTcType (substTy subst rebuilt_ki)
+       ; traceTc "instantiateTyN" (vcat [ ppr ki
+                                        , ppr n
+                                        , ppr subst
+                                        , ppr rebuilt_ki
+                                        , ppr ki' ])
+       ; return (inst_args, ki') }
   where
-    -- we need to make sure that both kinds have the same number of implicit
-    -- foralls out front. If the actual kind has more, instantiate accordingly.
-    -- Otherwise, just pass the type & kind through -- the errors are caught
-    -- in unifyType.
-    instantiate :: TcType    -- the type
-                -> TcKind    -- of this kind
-                -> TcKind   -- but expected to be of this one
-                -> TcM ( TcType   -- the inst'ed type
-                       , TcKind ) -- its new kind
-    instantiate ty act_ki exp_ki
-      = let (exp_bndrs, _) = splitPiTysInvisible exp_ki in
-        instantiateTyN (length exp_bndrs) ty act_ki
+     -- NB: splitAt is forgiving with invalid numbers
+     (inst_bndrs, leftover_bndrs) = splitAt n bndrs
+     ki          = mkPiTys bndrs inner_ki
+     empty_subst = mkEmptyTCvSubst (mkInScopeSet (tyCoVarsOfType ki))
 
 -- | Instantiate a type to have at most @n@ invisible arguments.
-instantiateTyN :: Int    -- ^ @n@
-               -> TcType -- ^ the type
-               -> TcKind -- ^ its kind
-               -> TcM (TcType, TcKind)   -- ^ The inst'ed type with kind
-instantiateTyN n ty ki
-  = let (bndrs, inner_ki)            = splitPiTysInvisible ki
-        num_to_inst                  = length bndrs - n
-           -- NB: splitAt is forgiving with invalid numbers
-        (inst_bndrs, leftover_bndrs) = splitAt num_to_inst bndrs
+instantiateTyUntilN :: Maybe (VarEnv Kind)   -- ^ Possibly, instantiations for vars
+                    -> Int         -- ^ @n@
+                    -> TcKind      -- ^ its kind
+                    -> TcM ([TcType], TcKind)   -- ^ The new args, final kind
+instantiateTyUntilN mb_kind_env n ki
+  = let (bndrs, inner_ki) = splitPiTysInvisible ki
+        num_to_inst       = length bndrs - n
     in
-    if num_to_inst <= 0 then return (ty, ki) else
-    do { (subst, inst_args) <- tcInstBinders inst_bndrs
-       ; let rebuilt_ki = mkPiTys leftover_bndrs inner_ki
-             ki'        = substTy subst rebuilt_ki
-       ; return (mkNakedAppTys ty inst_args, ki') }
+    instantiateTyN mb_kind_env num_to_inst bndrs inner_ki
 
 ---------------------------
-tcHsContext :: LHsContext Name -> TcM [PredType]
+tcHsMbContext :: Maybe (LHsContext GhcRn) -> TcM [PredType]
+tcHsMbContext Nothing    = return []
+tcHsMbContext (Just cxt) = tcHsContext cxt
+
+tcHsContext :: LHsContext GhcRn -> TcM [PredType]
 tcHsContext = tc_hs_context typeLevelMode
 
-tcLHsPredType :: LHsType Name -> TcM PredType
+tcLHsPredType :: LHsType GhcRn -> TcM PredType
 tcLHsPredType = tc_lhs_pred typeLevelMode
 
-tc_hs_context :: TcTyMode -> LHsContext Name -> TcM [PredType]
+tc_hs_context :: TcTyMode -> LHsContext GhcRn -> TcM [PredType]
 tc_hs_context mode ctxt = mapM (tc_lhs_pred mode) (unLoc ctxt)
 
-tc_lhs_pred :: TcTyMode -> LHsType Name -> TcM PredType
+tc_lhs_pred :: TcTyMode -> LHsType GhcRn -> TcM PredType
 tc_lhs_pred mode pred = tc_lhs_type mode pred constraintKind
 
 ---------------------------
@@ -914,7 +1142,16 @@ tcTyVar mode name         -- Could be a tyvar, a tycon, or a datacon
   = do { traceTc "lk1" (ppr name)
        ; thing <- tcLookup name
        ; case thing of
-           ATyVar _ tv -> return (mkTyVarTy tv, tyVarKind tv)
+           ATyVar _ tv -> -- Important: zonk before returning
+                          -- We may have the application ((a::kappa) b)
+                          -- where kappa is already unified to (k1 -> k2)
+                          -- Then we want to see that arrow.  Best done
+                          -- here because we are also maintaining
+                          -- Note [The tcType invariant], so we don't just
+                          -- want to zonk the kind, leaving the TyVar
+                          -- un-zonked  (Trac #14873)
+                          do { ty <- zonkTcTyVar tv
+                             ; return (ty, typeKind ty) }
 
            ATcTyCon tc_tc -> do { -- See Note [GADT kind self-reference]
                                   unless
@@ -924,9 +1161,6 @@ tcTyVar mode name         -- Could be a tyvar, a tycon, or a datacon
                                 ; tc <- get_loopy_tc name tc_tc
                                 ; handle_tyfams tc tc_tc }
                              -- mkNakedTyConApp: see Note [Type-checking inside the knot]
-                 -- NB: we really should check if we're at the kind level
-                 -- and if the tycon is promotable if -XNoTypeInType is set.
-                 -- But this is a terribly large amount of work! Not worth it.
 
            AGlobal (ATyCon tc)
              -> do { check_tc tc
@@ -936,13 +1170,14 @@ tcTyVar mode name         -- Could be a tyvar, a tycon, or a datacon
              -> do { data_kinds <- xoptM LangExt.DataKinds
                    ; unless (data_kinds || specialPromotedDc dc) $
                        promotionErr name NoDataKindsDC
-                   ; type_in_type <- xoptM LangExt.TypeInType
-                   ; unless ( type_in_type ||
-                              ( isTypeLevel (mode_level mode) &&
-                                isLegacyPromotableDataCon dc ) ||
-                              ( isKindLevel (mode_level mode) &&
-                                specialPromotedDc dc ) ) $
-                       promotionErr name NoTypeInTypeDC
+                   ; when (isFamInstTyCon (dataConTyCon dc)) $
+                       -- see Trac #15245
+                       promotionErr name FamDataConPE
+                   ; let (_, _, _, theta, _, _) = dataConFullSig dc
+                   ; case dc_theta_illegal_constraint theta of
+                       Just pred -> promotionErr name $
+                                    ConstrainedDataConPE pred
+                       Nothing   -> pure ()
                    ; let tc = promoteDataCon dc
                    ; return (mkNakedTyConApp tc [], tyConKind tc) }
 
@@ -951,38 +1186,46 @@ tcTyVar mode name         -- Could be a tyvar, a tycon, or a datacon
            _  -> wrongThingErr "type" thing name }
   where
     check_tc :: TyCon -> TcM ()
-    check_tc tc = do { type_in_type <- xoptM LangExt.TypeInType
-                     ; data_kinds   <- xoptM LangExt.DataKinds
+    check_tc tc = do { data_kinds   <- xoptM LangExt.DataKinds
                      ; unless (isTypeLevel (mode_level mode) ||
                                data_kinds ||
                                isKindTyCon tc) $
-                       promotionErr name NoDataKindsTC
-                     ; unless (isTypeLevel (mode_level mode) ||
-                               type_in_type ||
-                               isLegacyPromotableTyCon tc) $
-                       promotionErr name NoTypeInTypeTC }
+                       promotionErr name NoDataKindsTC }
 
     -- if we are type-checking a type family tycon, we must instantiate
     -- any invisible arguments right away. Otherwise, we get #11246
-    handle_tyfams :: TyCon   -- the tycon to instantiate (might be loopy)
-                  -> TyCon   -- a non-loopy version of the tycon
+    handle_tyfams :: TyCon     -- the tycon to instantiate (might be loopy)
+                  -> TcTyCon   -- a non-loopy version of the tycon
                   -> TcM (TcType, TcKind)
     handle_tyfams tc tc_tc
-      | mightBeUnsaturatedTyCon tc_tc
-      = do { traceTc "tcTyVar2a" (ppr tc_tc $$ ppr tc_kind)
-           ; return (ty, tc_kind) }
+      | mightBeUnsaturatedTyCon tc_tc || mode_unsat mode
+                                         -- This is where mode_unsat is used
+      = do { tc_kind <- zonkTcType (tyConKind tc_tc)   -- (IT6) of Note [The tcType invariant]
+           ; traceTc "tcTyVar2a" (ppr tc_tc $$ ppr tc_kind)
+           ; return (mkNakedTyConApp tc [] `mkNakedCastTy` mkRepReflCo tc_kind, tc_kind) }
+              -- the mkNakedCastTy ensures (IT5) of Note [The tcType invariant]
 
       | otherwise
-      = do { (tc_ty, kind) <- instantiateTyN 0 ty tc_kind
+      = do { tc_kind <- zonkTcType (tyConKind tc_tc)
+           ; let (tc_kind_bndrs, tc_inner_ki) = splitPiTysInvisible tc_kind
+           ; (tc_args, kind) <- instantiateTyN Nothing (length (tyConBinders tc_tc))
+                                               tc_kind_bndrs tc_inner_ki
+           ; let is_saturated = tc_args `lengthAtLeast` tyConArity tc_tc
+                 tc_ty
+                   | is_saturated = mkNakedTyConApp tc tc_args `mkNakedCastTy` mkRepReflCo kind
+                      -- mkNakedCastTy is for (IT5) of Note [The tcType invariant]
+                   | otherwise    = mkNakedTyConApp tc tc_args
+                      -- if the tycon isn't yet saturated, then we don't want mkNakedCastTy,
+                      -- because that means we'll have an unsaturated type family
+                      -- We don't need it anyway, because we can be sure that the
+                      -- type family kind will accept further arguments (because it is
+                      -- not yet saturated)
            -- tc and tc_ty must not be traced here, because that would
            -- force the evaluation of a potentially knot-tied variable (tc),
            -- and the typechecker would hang, as per #11708
            ; traceTc "tcTyVar2b" (vcat [ ppr tc_tc <+> dcolon <+> ppr tc_kind
                                        , ppr kind ])
            ; return (tc_ty, kind) }
-      where
-        ty      = mkNakedTyConApp tc []
-        tc_kind = tyConKind tc_tc
 
     get_loopy_tc :: Name -> TyCon -> TcM TyCon
     -- Return the knot-tied global TyCon if there is one
@@ -996,22 +1239,17 @@ tcTyVar mode name         -- Could be a tyvar, a tycon, or a datacon
                 _                -> do { traceTc "lk1 (loopy)" (ppr name)
                                        ; return tc_tc } }
 
-tcClass :: Name -> TcM (Class, TcKind)
-tcClass cls     -- Must be a class
-  = do { thing <- tcLookup cls
-       ; case thing of
-           ATcTyCon tc -> return (aThingErr "tcClass" cls, tyConKind tc)
-           AGlobal (ATyCon tc)
-             | Just cls <- tyConClass_maybe tc
-             -> return (cls, tyConKind tc)
-           _ -> wrongThingErr "class" thing cls }
-
-
-aThingErr :: String -> Name -> b
--- The type checker for types is sometimes called simply to
--- do *kind* checking; and in that case it ignores the type
--- returned. Which is a good thing since it may not be available yet!
-aThingErr str x = pprPanic "AThing evaluated unexpectedly" (text str <+> ppr x)
+    -- We cannot promote a data constructor with a context that contains
+    -- constraints other than equalities, so error if we find one.
+    -- See Note [Constraints handled in types] in Inst.
+    dc_theta_illegal_constraint :: ThetaType -> Maybe PredType
+    dc_theta_illegal_constraint = find go
+      where
+        go :: PredType -> Bool
+        go pred | Just tc <- tyConAppTyCon_maybe pred
+                = not $  tc `hasKey` eqTyConKey
+                      || tc `hasKey` heqTyConKey
+                | otherwise = True
 
 {-
 Note [Type-checking inside the knot]
@@ -1053,7 +1291,7 @@ Trac #11554 shows this example, which made GHC loop:
   data A :: Type where
     B :: forall (a :: A). P a -> A
 
-In order to check the constructor B, we need have the promoted type A, but in
+In order to check the constructor B, we need to have the promoted type A, but in
 order to get that promoted type, B must first be checked. To prevent looping, a
 TyConPE promotion error is given when tcTyVar checks an ATcTyCon in kind mode.
 Any ATcTyCon is a TyCon being defined in the current recursive group (see data
@@ -1067,7 +1305,7 @@ Note [Body kind of a HsForAllTy]
 The body of a forall is usually a type, but in principle
 there's no reason to prohibit *unlifted* types.
 In fact, GHC can itself construct a function with an
-unboxed tuple inside a for-all (via CPR analyis; see
+unboxed tuple inside a for-all (via CPR analysis; see
 typecheck/should_compile/tc170).
 
 Moreover in instance heads we get forall-types with
@@ -1177,14 +1415,13 @@ in the e2 example, we'll desugar the type, zonking the kind unification
 variables as we go.  When we encounter the unconstrained kappa, we
 want to default it to '*', not to (Any *).
 
-
 Help functions for type applications
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 -}
 
-addTypeCtxt :: LHsType Name -> TcM a -> TcM a
+addTypeCtxt :: LHsType GhcRn -> TcM a -> TcM a
         -- Wrap a context around only if we want to show that contexts.
-        -- Omit invisble ones and ones user's won't grok
+        -- Omit invisible ones and ones user's won't grok
 addTypeCtxt (L _ ty) thing
   = addErrCtxt doc thing
   where
@@ -1197,309 +1434,530 @@ addTypeCtxt (L _ ty) thing
 %*                                                                      *
 %************************************************************************
 
-Note [Scope-check inferred kinds]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-Consider
-
-  data SameKind :: k -> k -> *
-  foo :: forall a (b :: Proxy a) (c :: Proxy d). SameKind b c
-
-d has no binding site. So it gets bound implicitly, at the top. The
-problem is that d's kind mentions `a`. So it's all ill-scoped.
-
-The way we check for this is to gather all variables *bound* in a
-type variable's scope. The type variable's kind should not mention
-any of these variables. That is, d's kind can't mention a, b, or c.
-We can't just check to make sure that d's kind is in scope, because
-we might be about to kindGeneralize.
-
-A little messy, but it works.
-
 Note [Dependent LHsQTyVars]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 We track (in the renamer) which explicitly bound variables in a
 LHsQTyVars are manifestly dependent; only precisely these variables
-may be used within the LHsQTyVars. We must do this so that kcHsTyVarBndrs
-can produce the right TcTyBinders, and tell Anon vs. Named. Earlier,
-I thought it would work simply to do a free-variable check during
-kcHsTyVarBndrs, but this is bogus, because there may be unsolved
-equalities about. And we don't want to eagerly solve the equalities,
-because we may get further information after kcHsTyVarBndrs is called.
-(Recall that kcHsTyVarBndrs is usually called from getInitialKind.
-The only other case is in kcConDecl.) This is what implements the rule
-that all variables intended to be dependent must be manifestly so.
+may be used within the LHsQTyVars. We must do this so that kcLHsQTyVars
+can produce the right TyConBinders, and tell Anon vs. Required.
+
+Example   data T k1 (a:k1) (b:k2) c
+               = MkT (Proxy a) (Proxy b) (Proxy c)
+
+Here
+  (a:k1),(b:k2),(c:k3)
+       are Anon     (explicitly specified as a binder, not used
+                     in the kind of any other binder
+  k1   is Required  (explicitly specifed as a binder, but used
+                     in the kind of another binder i.e. dependently)
+  k2   is Specified (not explicitly bound, but used in the kind
+                     of another binder)
+  k3   in Inferred  (not lexically in scope at all, but inferred
+                     by kind inference)
+and
+  T :: forall {k3} k1. forall k3 -> k1 -> k2 -> k3 -> *
+
+See Note [TyVarBndrs, TyVarBinders, TyConBinders, and visibility]
+in TyCoRep.
+
+kcLHsQTyVars uses the hsq_dependent field to decide whether
+k1, a, b, c should be Required or Anon.
+
+Earlier, thought it would work simply to do a free-variable check
+during kcLHsQTyVars, but this is bogus, because there may be
+unsolved equalities about. And we don't want to eagerly solve the
+equalities, because we may get further information after
+kcLHsQTyVars is called.  (Recall that kcLHsQTyVars is called
+only from getInitialKind.)
+This is what implements the rule that all variables intended to be
+dependent must be manifestly so.
 
 Sidenote: It's quite possible that later, we'll consider (t -> s)
 as a degenerate case of some (pi (x :: t) -> s) and then this will
 all get more permissive.
 
+Note [Kind generalisation and SigTvs]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Consider
+  data T (a :: k1) x = MkT (S a ())
+  data S (b :: k2) y = MkS (T b ())
+
+While we are doing kind inference for the mutually-recursive S,T,
+we will end up unifying k1 and k2 together. So they can't be skolems.
+We therefore make them SigTvs, which can unify with type variables,
+but not with general types.  All this is very similar at the level
+of terms: see Note [Quantified variables in partial type signatures]
+in TcBinds.
+
+There are some wrinkles
+
+* We always want to kind-generalise over SigTvs, and /not/ default
+  them to Type.  Another way to say this is: a SigTV should /never/
+  stand for a type, even via defaulting. Hence the check in
+  TcSimplify.defaultTyVarTcS, and TcMType.defaultTyVar.  Here's
+  another example (Trac #14555):
+     data Exp :: [TYPE rep] -> TYPE rep -> Type where
+        Lam :: Exp (a:xs) b -> Exp xs (a -> b)
+  We want to kind-generalise over the 'rep' variable.
+  Trac #14563 is another example.
+
+* Consider Trac #11203
+    data SameKind :: k -> k -> *
+    data Q (a :: k1) (b :: k2) c = MkQ (SameKind a b)
+  Here we will unify k1 with k2, but this time doing so is an error,
+  because k1 and k2 are bound in the same delcaration.
+
+  We sort this out using findDupSigTvs, in TcTyClTyVars; very much
+  as we do with partial type signatures in mk_psig_qtvs in
+  TcBinds.chooseInferredQuantifiers
+
+Note [Keeping scoped variables in order: Explicit]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+When the user writes `forall a b c. blah`, we bring a, b, and c into
+scope and then check blah. In the process of checking blah, we might
+learn the kinds of a, b, and c, and these kinds might indicate that
+b depends on c, and thus that we should reject the user-written type.
+
+One approach to doing this would be to bring each of a, b, and c into
+scope, one at a time, creating an implication constraint and
+bumping the TcLevel for each one. This would work, because the kind
+of, say, b would be untouchable when c is in scope (and the constraint
+couldn't float out because c blocks it). However, it leads to terrible
+error messages, complaining about skolem escape. While it is indeed
+a problem of skolem escape, we can do better.
+
+Instead, our approach is to bring the block of variables into scope
+all at once, creating one implication constraint for the lot. The
+user-written variables are skolems in the implication constraint. In
+TcSimplify.setImplicationStatus, we check to make sure that the ordering
+is correct, choosing ImplicationStatus IC_BadTelescope if they aren't.
+Then, in TcErrors, we report if there is a bad telescope. This way,
+we can report a suggested ordering to the user if there is a problem.
+
+Note [Keeping scoped variables in order: Implicit]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+When the user implicitly quantifies over variables (say, in a type
+signature), we need to come up with some ordering on these variables.
+This is done by bumping the TcLevel, bringing the tyvars into scope,
+and then type-checking the thing_inside. The constraints are all
+wrapped in an implication, which is then solved. Finally, we can
+zonk all the binders and then order them with toposortTyVars.
+
+It's critical to solve before zonking and ordering in order to uncover
+any unifications. You might worry that this eager solving could cause
+trouble elsewhere. I don't think it will. Because it will solve only
+in an increased TcLevel, it can't unify anything that was mentioned
+elsewhere. Additionally, we require that the order of implicitly
+quantified variables is manifest by the scope of these variables, so
+we're not going to learn more information later that will help order
+these variables.
+
+Note [Recipe for checking a signature]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Checking a user-written signature requires several steps:
+
+ 1. Generate constraints.
+ 2. Solve constraints.
+ 3. Zonk and promote tyvars.
+ 4. (Optional) Kind-generalize.
+ 5. Check validity.
+
+There may be some surprises in here:
+
+Step 2 is necessary for two reasons: most signatures also bring
+implicitly quantified variables into scope, and solving is necessary
+to get these in the right order (see Note [Keeping scoped variables in
+order: Implicit]). Additionally, solving is necessary in order to
+kind-generalize correctly.
+
+Step 3 requires *promoting* type variables. If there are any foralls
+in a type, the TcLevel will be bumped within the forall. This might
+lead to the generation of matavars with a high level. If we don't promote,
+we violate MetaTvInv of Note [TcLevel and untouchable type variables]
+in TcType.
+
 -}
 
-tcWildCardBinders :: [Name]
+tcWildCardBinders :: SkolemInfo
+                  -> [Name]
                   -> ([(Name, TcTyVar)] -> TcM a)
                   -> TcM a
-tcWildCardBinders = tcWildCardBindersX new_tv
+tcWildCardBinders info = tcWildCardBindersX new_tv (Just info)
   where
     new_tv name = do { kind <- newMetaKindVar
                      ; newSkolemTyVar name kind }
 
 tcWildCardBindersX :: (Name -> TcM TcTyVar)
+                   -> Maybe SkolemInfo -- Just <=> we're bringing fresh vars
+                                       -- into scope; use scopeTyVars
                    -> [Name]
                    -> ([(Name, TcTyVar)] -> TcM a)
                    -> TcM a
-tcWildCardBindersX new_wc wc_names thing_inside
+tcWildCardBindersX new_wc maybe_skol_info wc_names thing_inside
   = do { wcs <- mapM new_wc wc_names
        ; let wc_prs = wc_names `zip` wcs
-       ; tcExtendTyVarEnv2 wc_prs $
+       ; scope_tvs wc_prs $
          thing_inside wc_prs }
+  where
+    scope_tvs
+      | Just info <- maybe_skol_info = scopeTyVars2 info
+      | otherwise                    = tcExtendNameTyVarEnv
 
 -- | Kind-check a 'LHsQTyVars'. If the decl under consideration has a complete,
 -- user-supplied kind signature (CUSK), generalise the result.
 -- Used in 'getInitialKind' (for tycon kinds and other kinds)
 -- and in kind-checking (but not for tycon kinds, which are checked with
--- tcTyClDecls). See also Note [Complete user-supplied kind signatures] in
--- HsDecls.
+-- tcTyClDecls). See Note [CUSKs: complete user-supplied kind signatures]
+-- in HsDecls.
 --
 -- This function does not do telescope checking.
-kcHsTyVarBndrs :: Name    -- ^ of the thing being checked
-               -> Bool    -- ^ True <=> the TyCon being kind-checked can be unsaturated
-               -> Bool    -- ^ True <=> the decl being checked has a CUSK
-               -> Bool    -- ^ True <=> the decl is an open type/data family
-               -> Bool    -- ^ True <=> all the hsq_implicit are *kind* vars
-                          -- (will give these kind * if -XNoTypeInType)
-               -> LHsQTyVars Name
-               -> TcM (Kind, r)     -- ^ The result kind, possibly with other info
-               -> TcM (TcTyCon, r)  -- ^ A suitably-kinded TcTyCon
-kcHsTyVarBndrs name unsat cusk open_fam all_kind_vars
-  (HsQTvs { hsq_implicit = kv_ns, hsq_explicit = hs_tvs
-          , hsq_dependent = dep_names }) thing_inside
+kcLHsQTyVars :: Name              -- ^ of the thing being checked
+             -> TyConFlavour      -- ^ What sort of 'TyCon' is being checked
+             -> Bool              -- ^ True <=> the decl being checked has a CUSK
+             -> LHsQTyVars GhcRn
+             -> TcM Kind          -- ^ The result kind
+             -> TcM TcTyCon       -- ^ A suitably-kinded TcTyCon
+kcLHsQTyVars name flav cusk
+  user_tyvars@(HsQTvs { hsq_ext = HsQTvsRn { hsq_implicit = kv_ns
+                                           , hsq_dependent = dep_names }
+                      , hsq_explicit = hs_tvs }) thing_inside
   | cusk
-  = do { kv_kinds <- mk_kv_kinds
-       ; lvl <- getTcLevel
-       ; let scoped_kvs = zipWith (mk_skolem_tv lvl) kv_ns kv_kinds
-       ; tcExtendTyVarEnv2 (kv_ns `zip` scoped_kvs) $
-    do { (tc_binders, res_kind, stuff) <- solveEqualities $
-                                          bind_telescope hs_tvs thing_inside
+  = do { (scoped_kvs, (tc_tvs, res_kind))
+           <- solveEqualities                    $
+              tcImplicitQTKBndrs skol_info kv_ns $
+              kcLHsQTyVarBndrs cusk open_fam skol_info hs_tvs thing_inside
 
            -- Now, because we're in a CUSK, quantify over the mentioned
            -- kind vars, in dependency order.
-       ; tc_binders  <- mapM zonkTyConBinder tc_binders
-       ; res_kind <- zonkTcType res_kind
-       ; let tc_tvs = binderVars tc_binders
-             qkvs   = tyCoVarsOfTypeWellScoped (mkTyConKind tc_binders res_kind)
-                   -- the visibility of tvs doesn't matter here; we just
-                   -- want the free variables not to include the tvs
-
-          -- If there are any meta-tvs left, the user has
-          -- lied about having a CUSK. Error.
-       ; let (meta_tvs, good_tvs) = partition isMetaTyVar qkvs
-       ; when (not (null meta_tvs)) $
-         report_non_cusk_tvs (qkvs ++ tc_tvs)
+       ; let tc_binders_unzonked = zipWith mk_tc_binder hs_tvs tc_tvs
+       ; dvs  <- zonkTcTypeAndSplitDepVars (mkSpecForAllTys scoped_kvs $
+                                            mkTyConKind tc_binders_unzonked res_kind)
+       ; qkvs <- quantifyTyVars emptyVarSet dvs
+         -- don't call tcGetGlobalTyCoVars. For associated types, it gets the
+         -- tyvars from the enclosing class -- but that's wrong. We *do* want
+         -- to quantify over those tyvars.
+
+       ; scoped_kvs <- mapM zonkTcTyVarToTyVar scoped_kvs
+       ; tc_tvs     <- mapM zonkTcTyVarToTyVar tc_tvs
+       ; res_kind   <- zonkTcType res_kind
+       ; let tc_binders = zipWith mk_tc_binder hs_tvs tc_tvs
 
           -- If any of the scoped_kvs aren't actually mentioned in a binder's
           -- kind (or the return kind), then we're in the CUSK case from
           -- Note [Free-floating kind vars]
-       ; let all_tc_tvs        = good_tvs ++ tc_tvs
+       ; let all_tc_tvs        = scoped_kvs ++ tc_tvs
              all_mentioned_tvs = mapUnionVarSet (tyCoVarsOfType . tyVarKind)
                                                 all_tc_tvs
                                  `unionVarSet` tyCoVarsOfType res_kind
              unmentioned_kvs   = filterOut (`elemVarSet` all_mentioned_tvs)
                                            scoped_kvs
-       ; reportFloatingKvs name all_tc_tvs unmentioned_kvs
-
-       ; let final_binders = map (mkNamedTyConBinder Specified) good_tvs
-                            ++ tc_binders
-             tycon = mkTcTyCon name final_binders res_kind
-                               unsat (scoped_kvs ++ tc_tvs)
+       ; reportFloatingKvs name flav all_tc_tvs unmentioned_kvs
+
+       ; let final_binders =  map (mkNamedTyConBinder Inferred) qkvs
+                           ++ map (mkNamedTyConBinder Specified) scoped_kvs
+                           ++ tc_binders
+             tycon = mkTcTyCon name (ppr user_tyvars) final_binders res_kind
+                               (mkTyVarNamePairs (scoped_kvs ++ tc_tvs))
+                               flav
                            -- the tvs contain the binders already
                            -- in scope from an enclosing class, but
                            -- re-adding tvs to the env't doesn't cause
                            -- harm
-       ; return (tycon, stuff) }}
+
+       ; traceTc "kcLHsQTyVars: cusk" $
+         vcat [ ppr name, ppr kv_ns, ppr hs_tvs, ppr dep_names
+              , ppr tc_tvs, ppr (mkTyConKind final_binders res_kind)
+              , ppr qkvs, ppr final_binders ]
+
+       ; return tycon }
 
   | otherwise
-  = do { kv_kinds <- mk_kv_kinds
-       ; scoped_kvs <- zipWithM newSigTyVar kv_ns kv_kinds
-                     -- the names must line up in splitTelescopeTvs
-       ; (binders, res_kind, stuff)
-           <- tcExtendTyVarEnv2 (kv_ns `zip` scoped_kvs) $
-              bind_telescope hs_tvs thing_inside
+  = do { (scoped_kvs, (tc_tvs, res_kind))
+           -- Why kcImplicitTKBndrs which uses newSigTyVar?
+           -- See Note [Kind generalisation and sigTvs]
+           <- kcImplicitTKBndrs kv_ns $
+              kcLHsQTyVarBndrs cusk open_fam skol_info hs_tvs thing_inside
+
        ; let   -- NB: Don't add scoped_kvs to tyConTyVars, because they
                -- must remain lined up with the binders
-             tycon = mkTcTyCon name binders res_kind unsat
-                               (scoped_kvs ++ binderVars binders)
-       ; return (tycon, stuff) }
+             tc_binders = zipWith mk_tc_binder hs_tvs tc_tvs
+             tycon = mkTcTyCon name (ppr user_tyvars) tc_binders res_kind
+                               (mkTyVarNamePairs (scoped_kvs ++ tc_tvs))
+                               flav
+
+       ; traceTc "kcLHsQTyVars: not-cusk" $
+         vcat [ ppr name, ppr kv_ns, ppr hs_tvs, ppr dep_names
+              , ppr tc_tvs, ppr (mkTyConKind tc_binders res_kind) ]
+       ; return tycon }
   where
-      -- if -XNoTypeInType and we know all the implicits are kind vars,
-      -- just give the kind *. This prevents test
-      -- dependent/should_fail/KindLevelsB from compiling, as it should
-    mk_kv_kinds :: TcM [Kind]
-    mk_kv_kinds = do { typeintype <- xoptM LangExt.TypeInType
-                     ; if not typeintype && all_kind_vars
-                       then return (map (const liftedTypeKind) kv_ns)
-                       else mapM (const newMetaKindVar) kv_ns }
-
-      -- there may be dependency between the explicit "ty" vars. So, we have
-      -- to handle them one at a time.
-    bind_telescope :: [LHsTyVarBndr Name]
-                   -> TcM (Kind, r)
-                   -> TcM ([TyConBinder], TcKind, r)
-    bind_telescope [] thing
-      = do { (res_kind, stuff) <- thing
-           ; return ([], res_kind, stuff) }
-    bind_telescope (L _ hs_tv : hs_tvs) thing
-      = do { tv_pair@(tv, _) <- kc_hs_tv hs_tv
+    open_fam = tcFlavourIsOpen flav
+    skol_info = TyConSkol flav name
+
+    mk_tc_binder :: LHsTyVarBndr GhcRn -> TyVar -> TyConBinder
+    -- See Note [Dependent LHsQTyVars]
+    mk_tc_binder hs_tv tv
+       | hsLTyVarName hs_tv `elemNameSet` dep_names
+       = mkNamedTyConBinder Required tv
+       | otherwise
+       = mkAnonTyConBinder tv
+
+kcLHsQTyVars _ _ _ (XLHsQTyVars _) _ = panic "kcLHsQTyVars"
+
+kcLHsQTyVarBndrs :: Bool   -- True <=> bump the TcLevel when bringing vars into scope
+                 -> Bool   -- True <=> Default un-annotated tyvar
+                           --          binders to kind *
+                 -> SkolemInfo
+                 -> [LHsTyVarBndr GhcRn]
+                 -> TcM r
+                 -> TcM ([TyVar], r)
+-- There may be dependency between the explicit "ty" vars.
+-- So, we have to handle them one at a time.
+kcLHsQTyVarBndrs _ _ _ [] thing
+  = do { stuff <- thing; return ([], stuff) }
+
+kcLHsQTyVarBndrs cusk open_fam skol_info (L _ hs_tv : hs_tvs) thing
+  = do { tv_pair@(tv, _) <- kc_hs_tv hs_tv
                -- NB: Bring all tvs into scope, even non-dependent ones,
                -- as they're needed in type synonyms, data constructors, etc.
-           ; (binders, res_kind, stuff) <- bind_unless_scoped tv_pair $
-                                           bind_telescope hs_tvs $
-                                           thing
-                  -- See Note [Dependent LHsQTyVars]
-           ; let new_binder | hsTyVarName hs_tv `elemNameSet` dep_names
-                            = mkNamedTyConBinder Required tv
-                            | otherwise
-                            = mkAnonTyConBinder tv
-           ; return ( new_binder : binders
-                    , res_kind, stuff ) }
 
+       ; (tvs, stuff) <- bind_unless_scoped tv_pair $
+                         kcLHsQTyVarBndrs cusk open_fam skol_info hs_tvs $
+                         thing
+
+       ; return ( tv : tvs, stuff ) }
+  where
     -- | Bind the tyvar in the env't unless the bool is True
     bind_unless_scoped :: (TcTyVar, Bool) -> TcM a -> TcM a
     bind_unless_scoped (_, True)   thing_inside = thing_inside
     bind_unless_scoped (tv, False) thing_inside
-      = tcExtendTyVarEnv [tv] thing_inside
-
-    kc_hs_tv :: HsTyVarBndr Name -> TcM (TcTyVar, Bool)
-    kc_hs_tv (UserTyVar (L _ name))
-      = do { tv_pair@(tv, scoped) <- tcHsTyVarName Nothing name
-
-              -- Open type/data families default their variables to kind *.
-           ; when (open_fam && not scoped) $ -- (don't default class tyvars)
-             discardResult $ unifyKind (Just (mkTyVarTy tv)) liftedTypeKind
-                                                             (tyVarKind tv)
-
-           ; return tv_pair }
-
-    kc_hs_tv (KindedTyVar (L _ name) lhs_kind)
-      = do { kind <- tcLHsKind lhs_kind
-           ; tcHsTyVarName (Just kind) name }
-
-    report_non_cusk_tvs all_tvs
-      = do { all_tvs <- mapM zonkTyCoVarKind all_tvs
-           ; let (_, tidy_tvs)         = tidyOpenTyCoVars emptyTidyEnv all_tvs
-                 (meta_tvs, other_tvs) = partition isMetaTyVar tidy_tvs
-
-           ; addErr $
-             vcat [ text "You have written a *complete user-suppled kind signature*,"
-                  , hang (text "but the following variable" <> plural meta_tvs <+>
-                          isOrAre meta_tvs <+> text "undetermined:")
-                       2 (vcat (map pp_tv meta_tvs))
-                  , text "Perhaps add a kind signature."
-                  , hang (text "Inferred kinds of user-written variables:")
-                       2 (vcat (map pp_tv other_tvs)) ] }
-      where
-        pp_tv tv = ppr tv <+> dcolon <+> ppr (tyVarKind tv)
+      | cusk      = scopeTyVars skol_info [tv] thing_inside
+      | otherwise = tcExtendTyVarEnv      [tv] thing_inside
+         -- These variables haven't settled down yet, so we don't want to bump
+         -- the TcLevel. If we do, then we'll have metavars of too high a level
+         -- floating about. Changing this causes many, many failures in the
+         -- `dependent` testsuite directory.
+
+    kc_hs_tv :: HsTyVarBndr GhcRn -> TcM (TcTyVar, Bool)
+      -- Special handling for the case where the binder is already in scope
+      -- See Note [Associated type tyvar names] in Class and
+      --     Note [TyVar binders for associated decls] in HsDecls
+    kc_hs_tv (UserTyVar _ (L _ name))
+      = do { mb_tv <- tcLookupLcl_maybe name
+           ; case mb_tv of  -- See Note [TyVar binders for associated decls]
+                Just (ATyVar _ tv) -> return (tv, True)
+                _ -> do { kind <- if open_fam
+                                  then return liftedTypeKind
+                                  else newMetaKindVar
+                                  -- Open type/data families default their variables
+                                  -- variables to kind *.  But don't default in-scope
+                                  -- class tyvars, of course
+                        ; tv <- newSkolemTyVar name kind
+                        ; return (tv, False) } }
+
+    kc_hs_tv (KindedTyVar _ lname@(L _ name) lhs_kind)
+      = do { kind <- tcLHsKindSig (TyVarBndrKindCtxt name) lhs_kind
+           ; mb_tv <- tcLookupLcl_maybe name
+           ; case mb_tv of
+               Just (ATyVar _ tv)
+                 -> do { discardResult $
+                           unifyKind (Just (HsTyVar noExt NotPromoted lname))
+                                     kind (tyVarKind tv)
+                       ; return (tv, True) }
+               _ -> do { tv <- newSkolemTyVar name kind
+                       ; return (tv, False) } }
+
+    kc_hs_tv (XTyVarBndr{}) = panic "kc_hs_tv"
+
+{- Note [Kind-checking tyvar binders for associated types]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+When kind-checking the type-variable binders for associated
+   data/newtype decls
+   family decls
+we behave specially for type variables that are already in scope;
+that is, bound by the enclosing class decl.  This is done in
+kcLHsQTyVarBndrs:
+  * The use of tcImplicitQTKBndrs
+  * The tcLookupLocal_maybe code in kc_hs_tv
+
+See Note [Associated type tyvar names] in Class and
+    Note [TyVar binders for associated decls] in HsDecls
+
+We must do the same for family instance decls, where the in-scope
+variables may be bound by the enclosing class instance decl.
+Hence the use of tcImplicitQTKBndrs in tcFamTyPats.
+-}
 
 
-tcImplicitTKBndrs :: [Name]
-                  -> TcM (a, TyVarSet)   -- vars are bound somewhere in the scope
-                                         -- see Note [Scope-check inferred kinds]
-                  -> TcM ([TcTyVar], a)
-tcImplicitTKBndrs = tcImplicitTKBndrsX (tcHsTyVarName Nothing)
-
--- | Convenient specialization
-tcImplicitTKBndrsType :: [Name]
-                      -> TcM Type
-                      -> TcM ([TcTyVar], Type)
-tcImplicitTKBndrsType var_ns thing_inside
-  = tcImplicitTKBndrs var_ns $
-    do { res_ty <- thing_inside
-       ; return (res_ty, allBoundVariables res_ty) }
-
--- this more general variant is needed in tcHsPatSigType.
--- See Note [Pattern signature binders]
-tcImplicitTKBndrsX :: (Name -> TcM (TcTyVar, Bool))  -- new_tv function
+--------------------------------------
+-- Implicit binders
+--------------------------------------
+
+-- | Bring implicitly quantified type/kind variables into scope during
+-- kind checking. Uses SigTvs, as per Note [Use SigTvs in kind-checking pass]
+-- in TcTyClsDecls.
+kcImplicitTKBndrs :: [Name]     -- of the vars
+                  -> TcM a
+                  -> TcM ([TcTyVar], a)  -- returns the tyvars created
+                                         -- these are *not* dependency ordered
+kcImplicitTKBndrs var_ns thing_inside
+  = do { tkvs <- mapM newFlexiKindedSigTyVar var_ns
+       ; result <- tcExtendTyVarEnv tkvs thing_inside
+       ; return (tkvs, result) }
+
+
+tcImplicitTKBndrs, tcImplicitTKBndrsSig, tcImplicitQTKBndrs
+  :: SkolemInfo
+  -> [Name]
+  -> TcM a
+  -> TcM ([TcTyVar], a)
+tcImplicitTKBndrs    = tcImplicitTKBndrsX newFlexiKindedSkolemTyVar
+tcImplicitTKBndrsSig = tcImplicitTKBndrsX newFlexiKindedSigTyVar
+tcImplicitQTKBndrs   = tcImplicitTKBndrsX newFlexiKindedQTyVar
+
+tcImplicitTKBndrsX :: (Name -> TcM TcTyVar) -- new_tv function
+                   -> SkolemInfo
                    -> [Name]
-                   -> TcM (a, TyVarSet)
-                   -> TcM ([TcTyVar], a)
--- Returned TcTyVars have the supplied Names
---   i.e. no cloning of fresh names
-tcImplicitTKBndrsX new_tv var_ns thing_inside
-  = do { tkvs_pairs <- mapM new_tv var_ns
-       ; let must_scope_tkvs = [ tkv | (tkv, False) <- tkvs_pairs ]
-             tkvs            = map fst tkvs_pairs
-       ; (result, bound_tvs) <- tcExtendTyVarEnv must_scope_tkvs $
-                                thing_inside
-
-         -- it's possible that we guessed the ordering of variables
-         -- wrongly. Adjust.
-       ; tkvs <- mapM zonkTyCoVarKind tkvs
-       ; let extra = text "NB: Implicitly-bound variables always come" <+>
-                     text "before other ones."
-       ; checkValidInferredKinds tkvs bound_tvs extra
-
-       ; let final_tvs = toposortTyVars tkvs
-       ; traceTc "tcImplicitTKBndrs" (ppr var_ns $$ ppr final_tvs)
+                   -> TcM a
+                   -> TcM ([TcTyVar], a)   -- these tyvars are dependency-ordered
+-- * Guarantees to call solveLocalEqualities to unify
+--   all constraints from thing_inside.
+--
+-- * Returned TcTyVars have the supplied HsTyVarBndrs,
+--   but may be in different order to the original [Name]
+--   (because of sorting to respect dependency)
+--
+-- * Returned TcTyVars have zonked kinds
+--   See Note [Keeping scoped variables in order: Implicit]
+tcImplicitTKBndrsX new_tv skol_info tv_names thing_inside
+  | null tv_names -- Short cut for the common case where there
+                  -- are no implicit type variables to bind
+  = do { result <- solveLocalEqualities thing_inside
+       ; return ([], result) }
 
+  | otherwise
+  = do { (skol_tvs, result)
+           <- solveLocalEqualities $
+              checkTvConstraints skol_info Nothing $
+              do { tkvs <- mapM new_tv tv_names
+                 ; result <- tcExtendTyVarEnv tkvs thing_inside
+                 ; return (tkvs, result) }
+
+       ; skol_tvs <- mapM zonkTcTyCoVarBndr skol_tvs
+          -- use zonkTcTyCoVarBndr because a skol_tv might be a SigTv
+
+          -- do a stable topological sort, following
+          -- Note [Ordering of implicit variables] in HsTypes
+       ; let final_tvs = toposortTyVars skol_tvs
+       ; traceTc "tcImplicitTKBndrs" (ppr tv_names $$ ppr final_tvs)
        ; return (final_tvs, result) }
 
-tcExplicitTKBndrs :: [LHsTyVarBndr Name]
-                  -> ([TyVar] -> TcM (a, TyVarSet))
-                        -- ^ Thing inside returns the set of variables bound
-                        -- in the scope. See Note [Scope-check inferred kinds]
-                  -> TcM (a, TyVarSet)  -- ^ returns augmented bound vars
+newFlexiKindedQTyVar :: Name -> TcM TcTyVar
+-- Make a new skolem for an implicit binder in a type/class/type
+-- instance declaration, with a flexi-kind
+-- But check for in-scope-ness, and if so return that instead
+newFlexiKindedQTyVar name
+  = do { mb_tv <- tcLookupLcl_maybe name
+       ; case mb_tv of
+           Just (ATyVar _ tv) -> return tv
+           _ -> newFlexiKindedSkolemTyVar name }
+
+newFlexiKindedTyVar :: (Name -> Kind -> TcM TyVar) -> Name -> TcM TyVar
+newFlexiKindedTyVar new_tv name
+  = do { kind <- newMetaKindVar
+       ; new_tv name kind }
+
+newFlexiKindedSkolemTyVar :: Name -> TcM TyVar
+newFlexiKindedSkolemTyVar = newFlexiKindedTyVar newSkolemTyVar
+
+newFlexiKindedSigTyVar :: Name -> TcM TyVar
+newFlexiKindedSigTyVar = newFlexiKindedTyVar newSigTyVar
+
+--------------------------------------
+-- Explicit binders
+--------------------------------------
+
+-- | Used during the "kind-checking" pass in TcTyClsDecls only,
+-- and even then only for data-con declarations.
+-- See Note [Use SigTvs in kind-checking pass] in TcTyClsDecls
+kcExplicitTKBndrs :: [LHsTyVarBndr GhcRn]
+                  -> TcM a
+                  -> TcM a
+kcExplicitTKBndrs [] thing_inside = thing_inside
+kcExplicitTKBndrs (L _ hs_tv : hs_tvs) thing_inside
+  = do { tv <- tcHsTyVarBndr newSigTyVar hs_tv
+       ; tcExtendTyVarEnv [tv] $
+         kcExplicitTKBndrs hs_tvs thing_inside }
+
+tcExplicitTKBndrs :: SkolemInfo
+                  -> [LHsTyVarBndr GhcRn]
+                  -> TcM a
+                  -> TcM ([TcTyVar], a)
+tcExplicitTKBndrs skol_info hs_tvs thing_inside
+-- Used for the forall'd binders in type signatures of various kinds:
+--     - function signatures
+--     - data con signatures in GADT-style decls
+--     - pattern synonym signatures
+--     - expression type signatures
+--
+-- Specifically NOT used for the binders of a data type
+-- or type family decl. So the forall'd variables always /shadow/
+-- anything already in scope, and the complications of
+-- tcHsQTyVarName to not apply.
+--
+-- This function brings into scope a telescope of binders as written by
+-- the user. At first blush, it would then seem that we should bring
+-- them into scope one at a time, bumping the TcLevel each time.
+-- (Recall that we bump the level to prevent skolem escape from happening.)
+-- However, this leads to terrible error messages, because we end up
+-- failing to unify with some `k0`. Better would be to allow type inference
+-- to work, potentially creating a skolem-escape problem, and then to
+-- notice that the telescope is out of order. That's what we do here,
+-- following the logic of tcImplicitTKBndrsX.
+-- See also Note [Keeping scoped variables in order: Explicit]
+--
 -- No cloning: returned TyVars have the same Name as the incoming LHsTyVarBndrs
-tcExplicitTKBndrs orig_hs_tvs thing_inside
-  = tcExplicitTKBndrsX newSkolemTyVar orig_hs_tvs thing_inside
-
-tcExplicitTKBndrsX :: (Name -> Kind -> TcM TyVar)
-                   -> [LHsTyVarBndr Name]
-                   -> ([TyVar] -> TcM (a, TyVarSet))
-                        -- ^ Thing inside returns the set of variables bound
-                        -- in the scope. See Note [Scope-check inferred kinds]
-                   -> TcM (a, TyVarSet)  -- ^ returns augmented bound vars
-tcExplicitTKBndrsX new_tv orig_hs_tvs thing_inside
-  = go orig_hs_tvs $ \ tvs ->
-    do { (result, bound_tvs) <- thing_inside tvs
-
-         -- Issue an error if the ordering is bogus.
-         -- See Note [Bad telescopes] in TcValidity.
-       ; tvs <- checkZonkValidTelescope (interppSP orig_hs_tvs) tvs empty
-       ; checkValidInferredKinds tvs bound_tvs empty
+  | null hs_tvs  -- Short cut that avoids creating an implication
+                 -- constraint in the common case where none is needed
+  = do { result <- thing_inside
+       ; return ([], result) }
+
+  | otherwise
+  = do { (skol_tvs, result) <- checkTvConstraints skol_info (Just doc) $
+                               bind_tvbs hs_tvs
 
        ; traceTc "tcExplicitTKBndrs" $
-           vcat [ text "Hs vars:" <+> ppr orig_hs_tvs
-                , text "tvs:" <+> sep (map pprTyVar tvs) ]
+           vcat [ text "Hs vars:" <+> ppr hs_tvs
+                , text "tvs:" <+> pprTyVars skol_tvs ]
+
+       ; return (skol_tvs, result) }
 
-       ; return (result, bound_tvs `unionVarSet` mkVarSet tvs)
-       }
   where
-    go [] thing = thing []
-    go (L _ hs_tv : hs_tvs) thing
-      = do { tv <- tcHsTyVarBndr new_tv hs_tv
+    bind_tvbs [] = do { result <- thing_inside
+                      ; return ([], result) }
+    bind_tvbs (L _ tvb : tvbs)
+      = do { tv <- tcHsTyVarBndr newSkolemTyVar tvb
            ; tcExtendTyVarEnv [tv] $
-             go hs_tvs $ \ tvs ->
-             thing (tv : tvs) }
+        do { (tvs, result) <- bind_tvbs tvbs
+           ; return (tv : tvs, result) }}
 
+    doc = sep (map ppr hs_tvs)
+
+-----------------
 tcHsTyVarBndr :: (Name -> Kind -> TcM TyVar)
-              -> HsTyVarBndr Name -> TcM TcTyVar
--- Return a SkolemTv TcTyVar, initialised with a kind variable.
+              -> HsTyVarBndr GhcRn -> TcM TcTyVar
+-- Return a TcTyVar, built using the provided function
 -- Typically the Kind inside the HsTyVarBndr will be a tyvar
 -- with a mutable kind in it.
--- NB: These variables must not be in scope. This function
--- is not appropriate for use with associated types, for example.
 --
 -- Returned TcTyVar has the same name; no cloning
---
--- See also Note [Associated type tyvar names] in Class
---
-tcHsTyVarBndr new_tv (UserTyVar (L _ name))
-  = do { kind <- newMetaKindVar
-       ; new_tv name kind }
-
-tcHsTyVarBndr new_tv (KindedTyVar (L _ name) kind)
-  = do { kind <- tcLHsKind kind
-       ; new_tv name kind }
+tcHsTyVarBndr new_tv (UserTyVar _ (L _ tv_nm))
+  = newFlexiKindedTyVar new_tv tv_nm
+tcHsTyVarBndr new_tv (KindedTyVar _ (L _ tv_nm) lhs_kind)
+  = do { kind <- tcLHsKindSig (TyVarBndrKindCtxt tv_nm) lhs_kind
+       ; new_tv tv_nm kind }
+tcHsTyVarBndr _ (XTyVarBndr _) = panic "tcHsTyVarBndr"
 
+-----------------
 newWildTyVar :: Name -> TcM TcTyVar
 -- ^ New unification variable for a wildcard
 newWildTyVar _name
@@ -1507,54 +1965,49 @@ newWildTyVar _name
        ; uniq <- newUnique
        ; details <- newMetaDetails TauTv
        ; let name = mkSysTvName uniq (fsLit "w")
-       ; return (mkTcTyVar name kind details) }
-
--- | Produce a tyvar of the given name (with the kind provided, or
--- otherwise a meta-var kind). If
--- the name is already in scope, return the scoped variable, checking
--- to make sure the known kind matches any kind provided. The
--- second return value says whether the variable is in scope (True)
--- or not (False). (Use this for associated types, for example.)
-tcHsTyVarName :: Maybe Kind -> Name -> TcM (TcTyVar, Bool)
-tcHsTyVarName m_kind name
-  = do { mb_tv <- tcLookupLcl_maybe name
-       ; case mb_tv of
-           Just (ATyVar _ tv)
-             -> do { whenIsJust m_kind $ \ kind ->
-                     discardResult $
-                     unifyKind (Just (mkTyVarTy tv)) kind (tyVarKind tv)
-                   ; return (tv, True) }
-           _ -> do { kind <- case m_kind of
-                               Just kind -> return kind
-                               Nothing   -> newMetaKindVar
-                   ; tv <- newSkolemTyVar name kind
-                   ; return (tv, False) }}
-
--- makes a new skolem tv
-newSkolemTyVar :: Name -> Kind -> TcM TcTyVar
-newSkolemTyVar name kind = do { lvl <- getTcLevel
-                              ; return (mk_skolem_tv lvl name kind) }
-
-mk_skolem_tv :: TcLevel -> Name -> Kind -> TcTyVar
-mk_skolem_tv lvl n k = mkTcTyVar n k (SkolemTv lvl False)
+             tyvar = (mkTcTyVar name kind details)
+       ; traceTc "newWildTyVar" (ppr tyvar)
+       ; return tyvar }
 
-------------------
-kindGeneralizeType :: Type -> TcM Type
--- Result is zonked
-kindGeneralizeType ty
-  = do { kvs <- kindGeneralize ty
-       ; ty <- zonkSigType (mkInvForAllTys kvs ty)
-       ; return ty  }
+--------------------------
+-- Bringing tyvars into scope
+--------------------------
+
+-- | Bring tyvars into scope, wrapping the thing_inside in an implication
+-- constraint. The implication constraint is necessary to provide SkolemInfo
+-- for the tyvars and to ensure that no unification variables made outside
+-- the scope of these tyvars (i.e. lower TcLevel) unify with the locally-scoped
+-- tyvars (i.e. higher TcLevel).
+--
+-- INVARIANT: The thing_inside must check only types, never terms.
+--
+-- Use this (not tcExtendTyVarEnv) wherever you expect a Λ or ∀ in Core.
+-- Use tcExtendTyVarEnv otherwise.
+scopeTyVars :: SkolemInfo -> [TcTyVar] -> TcM a -> TcM a
+scopeTyVars skol_info tvs = scopeTyVars2 skol_info [(tyVarName tv, tv) | tv <- tvs]
+
+-- | Like 'scopeTyVars', but allows you to specify different scoped names
+-- than the Names stored within the tyvars.
+scopeTyVars2 :: SkolemInfo -> [(Name, TcTyVar)] -> TcM a -> TcM a
+scopeTyVars2 skol_info prs thing_inside
+  = fmap snd $ -- discard the TcEvBinds, which will always be empty
+    checkConstraints skol_info (map snd prs) [{- no EvVars -}] $
+    tcExtendNameTyVarEnv prs $
+    thing_inside
 
+------------------
 kindGeneralize :: TcType -> TcM [KindVar]
 -- Quantify the free kind variables of a kind or type
 -- In the latter case the type is closed, so it has no free
 -- type variables.  So in both cases, all the free vars are kind vars
+-- Input must be zonked.
+-- NB: You must call solveEqualities or solveLocalEqualities before
+-- kind generalization
 kindGeneralize kind_or_type
-  = do { kvs <- zonkTcTypeAndFV kind_or_type
-       ; let dvs = DV { dv_kvs = kvs, dv_tvs = emptyDVarSet }
+  = do { let kvs = tyCoVarsOfTypeDSet kind_or_type
+             dvs = DV { dv_kvs = kvs, dv_tvs = emptyDVarSet }
        ; gbl_tvs <- tcGetGlobalTyCoVars -- Already zonked
-       ; quantifyZonkedTyVars gbl_tvs dvs }
+       ; quantifyTyVars gbl_tvs dvs }
 
 {-
 Note [Kind generalisation]
@@ -1604,16 +2057,16 @@ Consider
   data T = MkT (forall (a :: k). Proxy a)
   -- from test ghci/scripts/T7873
 
-This is not an existential datatype, but a higher-rank one. Note that
-the forall to the right of MkT. Also consider
+This is not an existential datatype, but a higher-rank one (the forall
+to the right of MkT). Also consider
 
   data S a = MkS (Proxy (a :: k))
 
-According to the rules around implicitly-bound kind variables, those
-k's scope over the whole declarations. The renamer grabs it and adds it
-to the hsq_implicits field of the HsQTyVars of the tycon. So it must
-be in scope during type-checking, but we want to reject T while accepting
-S.
+According to the rules around implicitly-bound kind variables, in both
+cases those k's scope over the whole declaration. The renamer grabs
+it and adds it to the hsq_implicits field of the HsQTyVars of the
+tycon. So it must be in scope during type-checking, but we want to
+reject T while accepting S.
 
 Why reject T? Because the kind variable isn't fixed by anything. For
 a variable like k to be implicit, it needs to be mentioned in the kind
@@ -1631,9 +2084,49 @@ we check to make sure that k has been unified with some other variable
 it must be a free-floating kind var. Error.
 
 CUSK: When we determine the tycon's final, never-to-be-changed kind
-in kcHsTyVarBndrs, we check to make sure all implicitly-bound kind
+in kcLHsQTyVars, we check to make sure all implicitly-bound kind
 vars are indeed mentioned in a kind somewhere. If not, error.
 
+We also perform free-floating kind var analysis for type family instances
+(see #13985). Here is an interesting example:
+
+    type family   T :: k
+    type instance T = (Nothing :: Maybe a)
+
+Upon a cursory glance, it may appear that the kind variable `a` is
+free-floating above, since there are no (visible) LHS patterns in `T`. However,
+there is an *invisible* pattern due to the return kind, so inside of GHC, the
+instance looks closer to this:
+
+    type family T @k :: k
+    type instance T @(Maybe a) = (Nothing :: Maybe a)
+
+Here, we can see that `a` really is bound by a LHS type pattern, so `a` is in
+fact not free-floating. Contrast that with this example:
+
+    type instance T = Proxy (Nothing :: Maybe a)
+
+This would looks like this inside of GHC:
+
+    type instance T @(*) = Proxy (Nothing :: Maybe a)
+
+So this time, `a` is neither bound by a visible nor invisible type pattern on
+the LHS, so it would be reported as free-floating.
+
+Finally, here's one more brain-teaser (from #9574). In the example below:
+
+    class Funct f where
+      type Codomain f :: *
+    instance Funct ('KProxy :: KProxy o) where
+      type Codomain 'KProxy = NatTr (Proxy :: o -> *)
+
+As it turns out, `o` is not free-floating in this example. That is because `o`
+bound by the kind signature of the LHS type pattern 'KProxy. To make this more
+obvious, one can also write the instance like so:
+
+    instance Funct ('KProxy :: KProxy o) where
+      type Codomain ('KProxy :: KProxy o) = NatTr (Proxy :: o -> *)
+
 -}
 
 --------------------
@@ -1654,8 +2147,9 @@ kcLookupTcTyCon nm
 -- Never emits constraints, though the thing_inside might.
 kcTyClTyVars :: Name -> TcM a -> TcM a
 kcTyClTyVars tycon_name thing_inside
+  -- See Note [Use SigTvs in kind-checking pass] in TcTyClsDecls
   = do { tycon <- kcLookupTcTyCon tycon_name
-       ; tcExtendTyVarEnv (tcTyConScopedTyVars tycon) $ thing_inside }
+       ; tcExtendNameTyVarEnv (tcTyConScopedTyVars tycon) $ thing_inside }
 
 tcTyClTyVars :: Name
              -> ([TyConBinder] -> Kind -> TcM a) -> TcM a
@@ -1678,59 +2172,144 @@ tcTyClTyVars :: Name
 tcTyClTyVars tycon_name thing_inside
   = do { tycon <- kcLookupTcTyCon tycon_name
 
-       ; let scoped_tvs = tcTyConScopedTyVars tycon
-               -- these are all zonked:
-             binders    = tyConBinders tycon
-             res_kind   = tyConResKind tycon
+       -- Do checks on scoped tyvars
+       -- See Note [Free-floating kind vars]
+       ; let flav = tyConFlavour tycon
+             scoped_prs = tcTyConScopedTyVars tycon
+             scoped_tvs = map snd scoped_prs
+             still_sig_tvs = filter isSigTyVar scoped_tvs
 
-          -- See Note [Free-floating kind vars]
-       ; zonked_scoped_tvs <- mapM zonkTcTyVarToTyVar scoped_tvs
-       ; let still_sig_tvs = filter isSigTyVar zonked_scoped_tvs
-       ; checkNoErrs $ reportFloatingKvs tycon_name
-                                         zonked_scoped_tvs still_sig_tvs
+       ; mapM_ report_sig_tv_err (findDupSigTvs scoped_prs)
 
-          -- Add the *unzonked* tyvars to the env't, because those
-          -- are the ones mentioned in the source.
-       ; tcExtendTyVarEnv scoped_tvs $
+       ; checkNoErrs $ reportFloatingKvs tycon_name flav
+                                         scoped_tvs still_sig_tvs
+
+       ; let res_kind   = tyConResKind tycon
+             binders    = correct_binders (tyConBinders tycon) res_kind
+       ; traceTc "tcTyClTyVars" (ppr tycon_name <+> ppr binders)
+       ; scopeTyVars2 (TyConSkol flav tycon_name) scoped_prs $
          thing_inside binders res_kind }
+  where
+    report_sig_tv_err (n1, n2)
+      = setSrcSpan (getSrcSpan n2) $
+        addErrTc (text "Couldn't match" <+> quotes (ppr n1)
+                        <+> text "with" <+> quotes (ppr n2))
+
+    -- Given some TyConBinders and a TyCon's result kind, make sure that the
+    -- correct any wrong Named/Anon choices. For example, consider
+    --   type Syn k = forall (a :: k). Proxy a
+    -- At first, it looks like k should be named -- after all, it appears on the RHS.
+    -- However, the correct kind for Syn is (* -> *).
+    -- (Why? Because k is the kind of a type, so k's kind is *. And the RHS also has
+    -- kind *.) See also #13963.
+    correct_binders :: [TyConBinder] -> Kind -> [TyConBinder]
+    correct_binders binders kind
+      = binders'
+      where
+        (_, binders') = mapAccumR go (tyCoVarsOfType kind) binders
+
+        go :: TyCoVarSet -> TyConBinder -> (TyCoVarSet, TyConBinder)
+        go fvs binder
+          | isNamedTyConBinder binder
+          , not (tv `elemVarSet` fvs)
+          = (new_fvs, mkAnonTyConBinder tv)
+
+          | not (isNamedTyConBinder binder)
+          , tv `elemVarSet` fvs
+          = (new_fvs, mkNamedTyConBinder Required tv)
+             -- always Required, because it was anonymous (i.e. visible) previously
+
+          | otherwise
+          = (new_fvs, binder)
+
+          where
+            tv      = binderVar binder
+            new_fvs = fvs `delVarSet` tv `unionVarSet` tyCoVarsOfType (tyVarKind tv)
 
 -----------------------------------
-tcDataKindSig :: Kind -> TcM ([TyConBinder], Kind)
+tcDataKindSig :: [TyConBinder]
+              -> Kind
+              -> TcM ([TyConBinder], Kind)
 -- GADT decls can have a (perhaps partial) kind signature
---      e.g.  data T :: * -> * -> * where ...
--- This function makes up suitable (kinded) type variables for
--- the argument kinds, and checks that the result kind is indeed *.
--- We use it also to make up argument type variables for for data instances.
+--      e.g.  data T :: * -> * -> * where ...
+-- This function makes up suitable (kinded) TyConBinders for the
+-- argument kinds.  E.g. in this case it might return
+--   ([b::*, c::*], *)
 -- Never emits constraints.
--- Returns the new TyVars, the extracted TyBinders, and the new, reduced
--- result kind (which should always be Type or a synonym thereof)
-tcDataKindSig kind
-  = do  { checkTc (isLiftedTypeKind res_kind) (badKindSig kind)
-        ; span <- getSrcSpanM
-        ; us   <- newUniqueSupply
+-- It's a little trickier than you might think: see
+-- Note [TyConBinders for the result kind signature of a data type]
+tcDataKindSig tc_bndrs kind
+  = do  { loc     <- getSrcSpanM
+        ; uniqs   <- newUniqueSupply
         ; rdr_env <- getLocalRdrEnv
-        ; let uniqs = uniqsFromSupply us
-              occs  = [ occ | str <- allNameStrings
-                            , let occ = mkOccName tvName str
-                            , isNothing (lookupLocalRdrOcc rdr_env occ) ]
-                 -- Note [Avoid name clashes for associated data types]
-
-    -- NB: Use the tv from a binder if there is one. Otherwise,
-    -- we end up inventing a new Unique for it, and any other tv
-    -- that mentions the first ends up with the wrong kind.
-              extra_bndrs = zipWith4 mkTyBinderTyConBinder
-                              tv_bndrs (repeat span) uniqs occs
-
-        ; return (extra_bndrs, res_kind) }
+        ; let new_occs = [ occ
+                         | str <- allNameStrings
+                         , let occ = mkOccName tvName str
+                         , isNothing (lookupLocalRdrOcc rdr_env occ)
+                         -- Note [Avoid name clashes for associated data types]
+                         , not (occ `elem` lhs_occs) ]
+              new_uniqs = uniqsFromSupply uniqs
+              subst = mkEmptyTCvSubst (mkInScopeSet (mkVarSet lhs_tvs))
+        ; return (go loc new_occs new_uniqs subst [] kind) }
   where
-    (tv_bndrs, res_kind) = splitPiTys kind
-
-badKindSig :: Kind -> SDoc
-badKindSig kind
- = hang (text "Kind signature on data type declaration has non-* return kind")
+    lhs_tvs  = map binderVar tc_bndrs
+    lhs_occs = map getOccName lhs_tvs
+
+    go loc occs uniqs subst acc kind
+      = case splitPiTy_maybe kind of
+          Nothing -> (reverse acc, substTy subst kind)
+
+          Just (Anon arg, kind')
+            -> go loc occs' uniqs' subst' (tcb : acc) kind'
+            where
+              arg'   = substTy subst arg
+              tv     = mkTyVar (mkInternalName uniq occ loc) arg'
+              subst' = extendTCvInScope subst tv
+              tcb    = TvBndr tv AnonTCB
+              (uniq:uniqs') = uniqs
+              (occ:occs')   = occs
+
+          Just (Named (TvBndr tv vis), kind')
+            -> go loc occs uniqs subst' (tcb : acc) kind'
+            where
+              (subst', tv') = substTyVarBndr subst tv
+              tcb = TvBndr tv' (NamedTCB vis)
+
+badKindSig :: Bool -> Kind -> SDoc
+badKindSig check_for_type kind
+ = hang (sep [ text "Kind signature on data type declaration has non-*"
+             , (if check_for_type then empty else text "and non-variable") <+>
+               text "return kind" ])
         2 (ppr kind)
 
-{-
+{- Note [TyConBinders for the result kind signature of a data type]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Given
+  data T (a::*) :: * -> forall k. k -> *
+we want to generate the extra TyConBinders for T, so we finally get
+  (a::*) (b::*) (k::*) (c::k)
+The function tcDataKindSig generates these extra TyConBinders from
+the result kind signature.
+
+We need to take care to give the TyConBinders
+  (a) OccNames that are fresh (because the TyConBinders of a TyCon
+      must have distinct OccNames
+
+  (b) Uniques that are fresh (obviously)
+
+For (a) we need to avoid clashes with the tyvars declared by
+the user before the "::"; in the above example that is 'a'.
+And also see Note [Avoid name clashes for associated data types].
+
+For (b) suppose we have
+   data T :: forall k. k -> forall k. k -> *
+where the two k's are identical even up to their uniques.  Surprisingly,
+this can happen: see Trac #14515.
+
+It's reasonably easy to solve all this; just run down the list with a
+substitution; hence the recursive 'go' function.  But it has to be
+done.
+
 Note [Avoid name clashes for associated data types]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 Consider    class C a b where
@@ -1750,135 +2329,193 @@ It isn't essential for correctness.
 
 ************************************************************************
 *                                                                      *
-             Partial signatures and pattern signatures
+             Partial signatures
 *                                                                      *
 ************************************************************************
 
-
-Note [Solving equalities in partial type signatures]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-We treat a partial type signature as a "shape constraint" to impose on
-the term:
-  * We make no attempt to kind-generalise it
-  * We instantiate the explicit and implicit foralls with SigTvs
-  * We instantiate the wildcards with meta tyvars
-
-We /do/ call solveEqualities, and then zonk to propage the result of
-solveEqualities, mainly so that functions like matchExpectedFunTys will
-be able to decompose the type, and hence higher-rank signatures will
-work. Ugh!  For example
-   f :: (forall a. a->a) -> _
-   f x = (x True, x 'c')
-
 -}
 
 tcHsPartialSigType
   :: UserTypeCtxt
-  -> LHsSigWcType Name        -- The type signature
+  -> LHsSigWcType GhcRn       -- The type signature
   -> TcM ( [(Name, TcTyVar)]  -- Wildcards
-         , Maybe TcTyVar      -- Extra-constraints wildcard
-         , [TcTyVar]          -- Implicitly and explicitly bound type varialbes
+         , Maybe TcType       -- Extra-constraints wildcard
+         , [Name]             -- Original tyvar names, in correspondence with ...
+         , [TcTyVar]          -- ... Implicitly and explicitly bound type variables
          , TcThetaType        -- Theta part
          , TcType )           -- Tau part
+-- See Note [Recipe for checking a signature]
 tcHsPartialSigType ctxt sig_ty
-  | HsWC { hswc_wcs  = sig_wcs,         hswc_body = ib_ty } <- sig_ty
-  , HsIB { hsib_vars = implicit_hs_tvs, hsib_body = hs_ty } <- ib_ty
+  | HsWC { hswc_ext  = sig_wcs,         hswc_body = ib_ty } <- sig_ty
+  , HsIB { hsib_ext = HsIBRn { hsib_vars = implicit_hs_tvs }
+         , hsib_body = hs_ty } <- ib_ty
   , (explicit_hs_tvs, L _ hs_ctxt, hs_tau) <- splitLHsSigmaTy hs_ty
   = addSigCtxt ctxt hs_ty $
-    do { (implicit_tvs, (wcs, wcx, explicit_tvs, theta, tau))
-            <- -- See Note [Solving equalities in partial type signatures]
-               solveEqualities $
-               tcWildCardBindersX newWildTyVar sig_wcs        $ \ wcs ->
-               tcImplicitTKBndrsX new_implicit_tv implicit_hs_tvs $
-               tcExplicitTKBndrsX newSigTyVar explicit_hs_tvs $ \ explicit_tvs ->
+    do { (implicit_tvs, (explicit_tvs, (wcs, wcx, theta, tau)))
+            <- tcWildCardBindersX newWildTyVar Nothing sig_wcs $ \ wcs ->
+               tcImplicitTKBndrsSig skol_info implicit_hs_tvs      $
+               tcExplicitTKBndrs    skol_info explicit_hs_tvs      $
                do {   -- Instantiate the type-class context; but if there
                       -- is an extra-constraints wildcard, just discard it here
                     (theta, wcx) <- tcPartialContext hs_ctxt
 
                   ; tau <- tcHsOpenType hs_tau
 
-                  ; let bound_tvs = unionVarSets [ allBoundVariables tau
-                                                 , mkVarSet explicit_tvs
-                                                 , mkVarSet (map snd wcs) ]
-
-                  ; return ( (wcs, wcx, explicit_tvs, theta, tau)
-                           , bound_tvs) }
-
-        ; emitWildCardHoleConstraints wcs
-
-        -- See Note [Solving equalities in partial type signatures]
-        ; all_tvs <- mapM (updateTyVarKindM zonkTcType)
-                          (implicit_tvs ++ explicit_tvs)
-        ; theta   <- mapM zonkTcType theta
-        ; tau     <- zonkTcType tau
-        ; checkValidType ctxt (mkSpecForAllTys all_tvs $ mkPhiTy theta tau)
-
-        ; traceTc "tcHsPartialSigType" (ppr all_tvs)
-        ; return (wcs, wcx, all_tvs, theta, tau) }
+                  ; return (wcs, wcx, theta, tau) }
+
+         -- We must return these separately, because all the zonking below
+         -- might change the name of a SigTv. This, in turn, causes trouble
+         -- in partial type signatures that bind scoped type variables, as
+         -- we bring the wrong name into scope in the function body.
+         -- Test case: partial-sigs/should_compile/LocalDefinitionBug
+       ; let tv_names = map tyVarName (implicit_tvs ++ explicit_tvs)
+
+       -- Spit out the wildcards (including the extra-constraints one)
+       -- as "hole" constraints, so that they'll be reported if necessary
+       -- See Note [Extra-constraint holes in partial type signatures]
+       ; emitWildCardHoleConstraints wcs
+
+         -- The SigTvs created above will sometimes have too high a TcLevel
+         -- (note that they are generated *after* bumping the level in
+         -- the tc{Im,Ex}plicitTKBndrsSig functions. Bumping the level
+         -- is still important here, because the kinds of these variables
+         -- do indeed need to have the higher level, so they can unify
+         -- with other local type variables. But, now that we've type-checked
+         -- everything (and solved equalities in the tcImplicit call)
+         -- we need to promote the SigTvs so we don't violate the TcLevel
+         -- invariant
+       ; all_tvs <- mapM zonkPromoteTyCoVarBndr (implicit_tvs ++ explicit_tvs)
+            -- zonkPromoteTyCoVarBndr deals well with SigTvs
+
+       ; theta   <- mapM zonkPromoteType theta
+       ; tau     <- zonkPromoteType tau
+
+       ; checkValidType ctxt (mkSpecForAllTys all_tvs $ mkPhiTy theta tau)
+
+       ; traceTc "tcHsPartialSigType" (ppr all_tvs)
+       ; return (wcs, wcx, tv_names, all_tvs, theta, tau) }
   where
-    new_implicit_tv name = do { kind <- newMetaKindVar
-                              ; tv <- newSigTyVar name kind
-                              ; return (tv, False) }
+    skol_info   = SigTypeSkol ctxt
+tcHsPartialSigType _ (HsWC _ (XHsImplicitBndrs _)) = panic "tcHsPartialSigType"
+tcHsPartialSigType _ (XHsWildCardBndrs _) = panic "tcHsPartialSigType"
 
-tcPartialContext :: HsContext Name -> TcM (TcThetaType, Maybe TcTyVar)
+tcPartialContext :: HsContext GhcRn -> TcM (TcThetaType, Maybe TcType)
 tcPartialContext hs_theta
   | Just (hs_theta1, hs_ctxt_last) <- snocView hs_theta
   , L _ (HsWildCardTy wc) <- ignoreParens hs_ctxt_last
-  = do { wc_tv <- tcWildCardOcc wc constraintKind
+  = do { wc_tv_ty <- tcWildCardOcc wc constraintKind
        ; theta <- mapM tcLHsPredType hs_theta1
-       ; return (theta, Just wc_tv) }
+       ; return (theta, Just wc_tv_ty) }
   | otherwise
   = do { theta <- mapM tcLHsPredType hs_theta
        ; return (theta, Nothing) }
 
+{- Note [Extra-constraint holes in partial type signatures]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Consider
+  f :: (_) => a -> a
+  f x = ...
+
+* The renamer makes a wildcard name for the "_", and puts it in
+  the hswc_wcs field.
+
+* Then, in tcHsPartialSigType, we make a new hole TcTyVar, in
+  tcWildCardBindersX.
+
+* TcBinds.chooseInferredQuantifiers fills in that hole TcTyVar
+  with the inferred constraints, e.g. (Eq a, Show a)
+
+* TcErrors.mkHoleError finally reports the error.
+
+An annoying difficulty happens if there are more than 62 inferred
+constraints. Then we need to fill in the TcTyVar with (say) a 70-tuple.
+Where do we find the TyCon?  For good reasons we only have constraint
+tuples up to 62 (see Note [How tuples work] in TysWiredIn).  So how
+can we make a 70-tuple?  This was the root cause of Trac #14217.
+
+It's incredibly tiresome, because we only need this type to fill
+in the hole, to communicate to the error reporting machinery.  Nothing
+more.  So I use a HACK:
+
+* I make an /ordinary/ tuple of the constraints, in
+  TcBinds.chooseInferredQuantifiers. This is ill-kinded because
+  ordinary tuples can't contain constraints, but it works fine. And for
+  ordinary tuples we don't have the same limit as for constraint
+  tuples (which need selectors and an assocated class).
+
+* Because it is ill-kinded, it trips an assert in writeMetaTyVar,
+  so now I disable the assertion if we are writing a type of
+  kind Constraint.  (That seldom/never normally happens so we aren't
+  losing much.)
+
+Result works fine, but it may eventually bite us.
+
+
+************************************************************************
+*                                                                      *
+      Pattern signatures (i.e signatures that occur in patterns)
+*                                                                      *
+********************************************************************* -}
+
 tcHsPatSigType :: UserTypeCtxt
-               -> LHsSigWcType Name           -- The type signature
+               -> LHsSigWcType GhcRn          -- The type signature
                -> TcM ( [(Name, TcTyVar)]     -- Wildcards
-                      , [TcTyVar]     -- The new bit of type environment, binding
-                                      -- the scoped type variables
+                      , [(Name, TcTyVar)]     -- The new bit of type environment, binding
+                                              -- the scoped type variables
                       , TcType)       -- The type
 -- Used for type-checking type signatures in
 -- (a) patterns           e.g  f (x::Int) = e
 -- (b) RULE forall bndrs  e.g. forall (x::Int). f x = x
 --
 -- This may emit constraints
-
+-- See Note [Recipe for checking a signature]
 tcHsPatSigType ctxt sig_ty
-  | HsWC { hswc_wcs = sig_wcs,   hswc_body = ib_ty } <- sig_ty
-  , HsIB { hsib_vars = sig_vars, hsib_body = hs_ty } <- ib_ty
+  | HsWC { hswc_ext = sig_wcs,   hswc_body = ib_ty } <- sig_ty
+  , HsIB { hsib_ext = HsIBRn { hsib_vars = sig_vars}
+         , hsib_body = hs_ty } <- ib_ty
   = addSigCtxt ctxt hs_ty $
-    do { (implicit_tvs, (wcs, sig_ty))
-            <- -- See Note [Solving equalities in partial type signatures]
-               solveEqualities $
-               tcWildCardBindersX newWildTyVar    sig_wcs  $ \ wcs ->
-               tcImplicitTKBndrsX new_implicit_tv sig_vars $
+    do { sig_tkvs <- mapM new_implicit_tv sig_vars
+       ; (wcs, sig_ty)
+            <- tcWildCardBindersX newWildTyVar    Nothing sig_wcs  $ \ wcs ->
+               tcExtendTyVarEnv sig_tkvs                           $
                do { sig_ty <- tcHsOpenType hs_ty
-                  ; return ((wcs, sig_ty), allBoundVariables sig_ty) }
+                  ; return (wcs, sig_ty) }
 
         ; emitWildCardHoleConstraints wcs
 
-        ; sig_ty <- zonkTcType sig_ty
+          -- sig_ty might have tyvars that are at a higher TcLevel (if hs_ty
+          -- contains a forall). Promote these.
+        ; sig_ty <- zonkPromoteType sig_ty
         ; checkValidType ctxt sig_ty
 
+        ; tv_pairs <- mapM mk_tv_pair sig_tkvs
+
         ; traceTc "tcHsPatSigType" (ppr sig_vars)
-        ; return (wcs, implicit_tvs, sig_ty) }
+        ; return (wcs, tv_pairs, sig_ty) }
   where
     new_implicit_tv name = do { kind <- newMetaKindVar
-                              ; tv <- new_tv name kind
-                              ; return (tv, False) }
-       -- "False" means that these tyvars aren't yet in scope
+                              ; new_tv name kind }
+
     new_tv = case ctxt of
                RuleSigCtxt {} -> newSkolemTyVar
                _              -> newSigTyVar
       -- See Note [Pattern signature binders]
       -- See Note [Unifying SigTvs]
 
+    mk_tv_pair tv = do { tv' <- zonkTcTyVarToTyVar tv
+                       ; return (tyVarName tv, tv') }
+         -- The Name is one of sig_vars, the lexically scoped name
+         -- But if it's a SigTyVar, it might have been unified
+         -- with an existing in-scope skolem, so we must zonk
+         -- here.  See Note [Pattern signature binders]
+tcHsPatSigType _ (HsWC _ (XHsImplicitBndrs _)) = panic "tcHsPatSigType"
+tcHsPatSigType _ (XHsWildCardBndrs _) = panic "tcHsPatSigType"
 
 tcPatSig :: Bool                    -- True <=> pattern binding
-         -> LHsSigWcType Name
+         -> LHsSigWcType GhcRn
          -> ExpSigmaType
          -> TcM (TcType,            -- The type to use for "inside" the signature
-                 [TcTyVar],         -- The new bit of type environment, binding
+                 [(Name,TcTyVar)],  -- The new bit of type environment, binding
                                     -- the scoped type variables
                  [(Name,TcTyVar)],  -- The wildcards
                  HsWrapper)         -- Coercion due to unification with actual ty
@@ -1909,7 +2546,7 @@ tcPatSig in_pat_bind sig res_ty
                 --      f :: Int -> Int
                 --      f (x :: T a) = ...
                 -- Here 'a' doesn't get a binding.  Sigh
-        ; let bad_tvs = [ tv | tv <- sig_tvs
+        ; let bad_tvs = [ tv | (_,tv) <- sig_tvs
                              , not (tv `elemVarSet` exactTyCoVarsOfType sig_ty) ]
         ; checkTc (null bad_tvs) (badPatSigTvs sig_ty bad_tvs)
 
@@ -1931,30 +2568,46 @@ tcPatSig in_pat_bind sig res_ty
                                           2 (ppr res_ty)) ]
             ; return (tidy_env, msg) }
 
-patBindSigErr :: [TcTyVar] -> SDoc
+patBindSigErr :: [(Name,TcTyVar)] -> SDoc
 patBindSigErr sig_tvs
   = hang (text "You cannot bind scoped type variable" <> plural sig_tvs
-          <+> pprQuotedList sig_tvs)
+          <+> pprQuotedList (map fst sig_tvs))
        2 (text "in a pattern binding signature")
 
-{-
-Note [Pattern signature binders]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+{- Note [Pattern signature binders]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 Consider
    data T = forall a. T a (a->Int)
-   f (T x (f :: a->Int) = blah)
+   f (T x (f :: b->Int)) = blah
 
 Here
  * The pattern (T p1 p2) creates a *skolem* type variable 'a_sk',
    It must be a skolem so that that it retains its identity, and
    TcErrors.getSkolemInfo can thereby find the binding site for the skolem.
 
- * The type signature pattern (f :: a->Int) binds "a" -> a_sig in the envt
-
- * Then unification makes a_sig := a_sk
-
-That's why we must make a_sig a MetaTv (albeit a SigTv),
-not a SkolemTv, so that it can unify to a_sk.
+ * The type signature pattern (f :: b->Int) makes a fresh meta-tyvar b_sig
+   (a SigTv), and binds "b" :-> b_sig in the envt
+
+ * Then unification makes b_sig := a_sk
+   That's why we must make b_sig a MetaTv (albeit a SigTv),
+   not a SkolemTv, so that it can unify to a_sk.
+
+ * Finally, in 'blah' we must have the envt "b" :-> a_sk.  The pair
+   ("b" :-> a_sk) is returned by tcHsPatSigType, constructed by
+   mk_tv_pair in that function.
+
+Another example (Trac #13881):
+   fl :: forall (l :: [a]). Sing l -> Sing l
+   fl (SNil :: Sing (l :: [y])) = SNil
+When we reach the pattern signature, 'l' is in scope from the
+outer 'forall':
+   "a" :-> a_sk :: *
+   "l" :-> l_sk :: [a_sk]
+We make up a fresh meta-SigTv, y_sig, for 'y', and kind-check
+the pattern signature
+   Sing (l :: [y])
+That unifies y_sig := a_sk.  We return from tcHsPatSigType with
+the pair ("y" :-> a_sk).
 
 For RULE binders, though, things are a bit different (yuk).
   RULE "foo" forall (x::a) (y::[a]).  f x y = ...
@@ -1989,28 +2642,127 @@ in-scope variables that it should not unify with, but it's fiddly.
 
 -}
 
-unifyKinds :: [(TcType, TcKind)] -> TcM ([TcType], TcKind)
-unifyKinds act_kinds
+unifyKinds :: [LHsType GhcRn] -> [(TcType, TcKind)] -> TcM ([TcType], TcKind)
+unifyKinds rn_tys act_kinds
   = do { kind <- newMetaKindVar
-       ; let check (ty, act_kind) = checkExpectedKind ty act_kind kind
-       ; tys' <- mapM check act_kinds
+       ; let check rn_ty (ty, act_kind) = checkExpectedKind (unLoc rn_ty) ty act_kind kind
+       ; tys' <- zipWithM check rn_tys act_kinds
        ; return (tys', kind) }
 
 {-
 ************************************************************************
 *                                                                      *
+    Promotion
+*                                                                      *
+************************************************************************
+-}
+
+-- | Whenever a type is about to be added to the environment, it's necessary
+-- to make sure that any free meta-tyvars in the type are promoted to the
+-- current TcLevel. (They might be at a higher level due to the level-bumping
+-- in tcExplicitTKBndrs, for example.) This function both zonks *and*
+-- promotes.
+zonkPromoteType :: TcType -> TcM TcType
+zonkPromoteType = mapType zonkPromoteMapper ()
+
+-- cf. TcMType.zonkTcTypeMapper
+zonkPromoteMapper :: TyCoMapper () TcM
+zonkPromoteMapper = TyCoMapper { tcm_smart    = True
+                               , tcm_tyvar    = const zonkPromoteTcTyVar
+                               , tcm_covar    = const covar
+                               , tcm_hole     = const hole
+                               , tcm_tybinder = const tybinder }
+  where
+    covar cv
+      = mkCoVarCo <$> zonkPromoteTyCoVarKind cv
+
+    hole :: CoercionHole -> TcM Coercion
+    hole h
+      = do { contents <- unpackCoercionHole_maybe h
+           ; case contents of
+               Just co -> do { co <- zonkPromoteCoercion co
+                             ; checkCoercionHole cv co }
+               Nothing -> do { cv' <- zonkPromoteTyCoVarKind cv
+                             ; return $ mkHoleCo (setCoHoleCoVar h cv') } }
+      where
+        cv = coHoleCoVar h
+
+    tybinder :: TyVar -> ArgFlag -> TcM ((), TyVar)
+    tybinder tv _flag = ((), ) <$> zonkPromoteTyCoVarKind tv
+
+zonkPromoteTcTyVar :: TyCoVar -> TcM TcType
+zonkPromoteTcTyVar tv
+  | isMetaTyVar tv
+  = do { let ref = metaTyVarRef tv
+       ; contents <- readTcRef ref
+       ; case contents of
+           Flexi -> do { promoted <- promoteTyVar tv
+                       ; if promoted
+                         then zonkPromoteTcTyVar tv   -- read it again
+                         else mkTyVarTy <$> zonkPromoteTyCoVarKind tv }
+           Indirect ty -> zonkPromoteType ty }
+
+  | isTcTyVar tv && isSkolemTyVar tv  -- NB: isSkolemTyVar says "True" to pure TyVars
+  = do { tc_lvl <- getTcLevel
+       ; mkTyVarTy <$> zonkPromoteTyCoVarKind (promoteSkolem tc_lvl tv) }
+
+  | otherwise
+  = mkTyVarTy <$> zonkPromoteTyCoVarKind tv
+
+zonkPromoteTyCoVarKind :: TyCoVar -> TcM TyCoVar
+zonkPromoteTyCoVarKind = updateTyVarKindM zonkPromoteType
+
+zonkPromoteTyCoVarBndr :: TyCoVar -> TcM TyCoVar
+zonkPromoteTyCoVarBndr tv
+  | isSigTyVar tv
+  = tcGetTyVar "zonkPromoteTyCoVarBndr SigTv" <$> zonkPromoteTcTyVar tv
+
+  | isTcTyVar tv && isSkolemTyVar tv
+  = do { tc_lvl <- getTcLevel
+       ; zonkPromoteTyCoVarKind (promoteSkolem tc_lvl tv) }
+
+  | otherwise
+  = zonkPromoteTyCoVarKind tv
+
+zonkPromoteCoercion :: Coercion -> TcM Coercion
+zonkPromoteCoercion = mapCoercion zonkPromoteMapper ()
+
+zonkPromoteTypeInKnot :: TcType -> TcM TcType
+zonkPromoteTypeInKnot = mapType (zonkPromoteMapper { tcm_smart = False }) ()
+  -- NB: Just changing smart to False will still use the smart zonker (not suitable
+  -- for in-the-knot) for kinds. But that's OK, because kinds aren't knot-tied.
+
+{-
+************************************************************************
+*                                                                      *
         Sort checking kinds
 *                                                                      *
 ************************************************************************
 
-tcLHsKind converts a user-written kind to an internal, sort-checked kind.
+tcLHsKindSig converts a user-written kind to an internal, sort-checked kind.
 It does sort checking and desugaring at the same time, in one single pass.
 -}
 
-tcLHsKind :: LHsKind Name -> TcM Kind
-tcLHsKind = tc_lhs_kind kindLevelMode
-
-tc_lhs_kind :: TcTyMode -> LHsKind Name -> TcM Kind
+tcLHsKindSig :: UserTypeCtxt -> LHsKind GhcRn -> TcM Kind
+tcLHsKindSig ctxt hs_kind
+-- See  Note [Recipe for checking a signature] in TcHsType
+-- Result is zonked
+  = do { kind <- solveLocalEqualities $
+                 tc_lhs_kind kindLevelMode hs_kind
+       ; traceTc "tcLHsKindSig" (ppr hs_kind $$ ppr kind)
+       ; kind <- zonkPromoteType kind
+         -- This zonk is very important in the case of higher rank kinds
+         -- E.g. Trac #13879    f :: forall (p :: forall z (y::z). <blah>).
+         --                          <more blah>
+         --      When instantiating p's kind at occurrences of p in <more blah>
+         --      it's crucial that the kind we instantiate is fully zonked,
+         --      else we may fail to substitute properly
+
+       ; checkValidType ctxt kind
+       ; traceTc "tcLHsKindSig2" (ppr kind)
+       ; return kind }
+
+tc_lhs_kind :: TcTyMode -> LHsKind GhcRn -> TcM Kind
 tc_lhs_kind mode k
   = addErrCtxt (text "In the kind" <+> quotes (ppr k)) $
     tc_lhs_type (kindLevel mode) k liftedTypeKind
@@ -2021,12 +2773,15 @@ promotionErr name err
                    2 (parens reason))
   where
     reason = case err of
+               ConstrainedDataConPE pred
+                              -> text "it has an unpromotable context"
+                                 <+> quotes (ppr pred)
                FamDataConPE   -> text "it comes from a data family instance"
-               NoDataKindsTC  -> text "Perhaps you intended to use DataKinds"
-               NoDataKindsDC  -> text "Perhaps you intended to use DataKinds"
-               NoTypeInTypeTC -> text "Perhaps you intended to use TypeInType"
-               NoTypeInTypeDC -> text "Perhaps you intended to use TypeInType"
-               PatSynPE       -> text "Pattern synonyms cannot be promoted"
+               NoDataKindsTC  -> text "perhaps you intended to use DataKinds"
+               NoDataKindsDC  -> text "perhaps you intended to use DataKinds"
+               PatSynPE       -> text "pattern synonyms cannot be promoted"
+               PatSynExPE     -> sep [ text "the existential variables of a pattern synonym"
+                                     , text "signature do not scope over the pattern" ]
                _ -> text "it is defined and used in the same recursive group"
 
 {-
@@ -2063,29 +2818,27 @@ funAppCtxt fun arg arg_no
        2 (quotes (ppr arg))
 
 -- See Note [Free-floating kind vars]
-reportFloatingKvs :: Name        -- of the tycon
-                  -> [TcTyVar]   -- all tyvars, not necessarily zonked
-                  -> [TcTyVar]   -- floating tyvars
+reportFloatingKvs :: Name         -- of the tycon
+                  -> TyConFlavour -- What sort of TyCon it is
+                  -> [TcTyVar]    -- all tyvars, not necessarily zonked
+                  -> [TcTyVar]    -- floating tyvars
                   -> TcM ()
-reportFloatingKvs tycon_name all_tvs bad_tvs
+reportFloatingKvs tycon_name flav all_tvs bad_tvs
   = unless (null bad_tvs) $  -- don't bother zonking if there's no error
     do { all_tvs <- mapM zonkTcTyVarToTyVar all_tvs
        ; bad_tvs <- mapM zonkTcTyVarToTyVar bad_tvs
        ; let (tidy_env, tidy_all_tvs) = tidyOpenTyCoVars emptyTidyEnv all_tvs
              tidy_bad_tvs             = map (tidyTyVarOcc tidy_env) bad_tvs
-       ; typeintype <- xoptM LangExt.TypeInType
-       ; mapM_ (report typeintype tidy_all_tvs) tidy_bad_tvs }
+       ; mapM_ (report tidy_all_tvs) tidy_bad_tvs }
   where
-    report typeintype tidy_all_tvs tidy_bad_tv
+    report tidy_all_tvs tidy_bad_tv
       = addErr $
         vcat [ text "Kind variable" <+> quotes (ppr tidy_bad_tv) <+>
-               text "is implicitly bound in datatype"
+               text "is implicitly bound in" <+> ppr flav
              , quotes (ppr tycon_name) <> comma <+>
                text "but does not appear as the kind of any"
              , text "of its type variables. Perhaps you meant"
-             , text "to bind it" <+> ppWhen (not typeintype)
-                                            (text "(with TypeInType)") <+>
-                                 text "explicitly somewhere?"
+             , text "to bind it explicitly somewhere?"
              , ppWhen (not (null tidy_all_tvs)) $
                  hang (text "Type variables with inferred kinds:")
                  2 (ppr_tv_bndrs tidy_all_tvs) ]