Refactor the treatment of predicate types
[ghc.git] / compiler / types / Type.hs
index 3b49834..3463920 100644 (file)
@@ -15,11 +15,12 @@ module Type (
 
         -- $representation_types
         TyThing(..), Type, ArgFlag(..), KindOrType, PredType, ThetaType,
-        Var, TyVar, isTyVar, TyCoVar, TyBinder, TyVarBinder,
+        Var, TyVar, isTyVar, TyCoVar, TyCoBinder, TyCoVarBinder, TyVarBinder,
+        KnotTied,
 
         -- ** Constructing and deconstructing types
         mkTyVarTy, mkTyVarTys, getTyVar, getTyVar_maybe, repGetTyVar_maybe,
-        getCastedTyVar_maybe, tyVarKind,
+        getCastedTyVar_maybe, tyVarKind, varType,
 
         mkAppTy, mkAppTys, splitAppTy, splitAppTys, repSplitAppTys,
         splitAppTy_maybe, repSplitAppTy_maybe, tcRepSplitAppTy_maybe,
@@ -35,18 +36,22 @@ module Type (
         splitListTyConApp_maybe,
         repSplitTyConApp_maybe,
 
-        mkForAllTy, mkForAllTys, mkInvForAllTys, mkSpecForAllTys,
-        mkVisForAllTys, mkInvForAllTy,
-        splitForAllTys, splitForAllTyVarBndrs,
+        mkForAllTy, mkForAllTys, mkTyCoInvForAllTys, mkSpecForAllTys,
+        mkVisForAllTys, mkTyCoInvForAllTy,
+        mkInvForAllTy, mkInvForAllTys,
+        splitForAllTys, splitForAllVarBndrs,
         splitForAllTy_maybe, splitForAllTy,
+        splitForAllTy_ty_maybe, splitForAllTy_co_maybe,
         splitPiTy_maybe, splitPiTy, splitPiTys,
-        mkPiTy, mkPiTys, mkTyConBindersPreferAnon,
+        mkTyCoPiTy, mkTyCoPiTys, mkTyConBindersPreferAnon,
+        mkPiTys,
         mkLamType, mkLamTypes,
         piResultTy, piResultTys,
         applyTysX, dropForAlls,
 
         mkNumLitTy, isNumLitTy,
         mkStrLitTy, isStrLitTy,
+        isLitTy,
 
         getRuntimeRep_maybe, getRuntimeRepFromKind_maybe,
 
@@ -57,8 +62,9 @@ module Type (
         coAxNthLHS,
         stripCoercionTy, splitCoercionType_maybe,
 
-        splitPiTysInvisible, filterOutInvisibleTypes,
-        partitionInvisibles,
+        splitPiTysInvisible, filterOutInvisibleTypes, filterOutInferredTypes,
+        partitionInvisibleTypes, partitionInvisibles,
+        tyConArgFlags, appTyArgFlags,
         synTyConResKind,
 
         modifyJoinResTy, setJoinResTy,
@@ -88,22 +94,26 @@ module Type (
 
         -- ** Binders
         sameVis,
-        mkTyVarBinder, mkTyVarBinders,
+        mkTyCoVarBinder, mkTyCoVarBinders,
+        mkTyVarBinders,
         mkAnonBinder,
-        isAnonTyBinder, isNamedTyBinder,
-        binderVar, binderVars, binderKind, binderArgFlag,
+        isAnonTyCoBinder, isNamedTyCoBinder,
+        binderVar, binderVars, binderType, binderArgFlag,
+        tyCoBinderType, tyCoBinderVar_maybe,
         tyBinderType,
         binderRelevantType_maybe, caseBinder,
         isVisibleArgFlag, isInvisibleArgFlag, isVisibleBinder, isInvisibleBinder,
-        tyConBindersTyBinders,
+        tyConBindersTyCoBinders,
 
         -- ** Common type constructors
         funTyCon,
 
         -- ** Predicates on types
         isTyVarTy, isFunTy, isDictTy, isPredTy, isCoercionTy,
-        isCoercionTy_maybe, isCoercionType, isForAllTy,
+        isCoercionTy_maybe, isForAllTy,
+        isForAllTy_ty, isForAllTy_co,
         isPiTy, isTauTy, isFamFreeTy,
+        isCoVarType, isEvVarType,
 
         isValidJoinPointType,
 
@@ -120,6 +130,7 @@ module Type (
 
         -- ** Finding the kind of a type
         typeKind, isTypeLevPoly, resultIsLevPoly,
+        tcIsLiftedTypeKind, tcIsConstraintKind, tcReturnsConstraintKind,
 
         -- ** Common Kind
         liftedTypeKind,
@@ -133,7 +144,7 @@ module Type (
         noFreeVarsOfType,
         splitVisVarsOfType, splitVisVarsOfTypes,
         expandTypeSynonyms,
-        typeSize,
+        typeSize, occCheckExpand,
 
         -- * Well-scoped lists of variables
         dVarSetElemsWellScoped, toposortTyVars, tyCoVarsOfTypeWellScoped,
@@ -160,6 +171,7 @@ module Type (
         emptyTvSubstEnv, emptyTCvSubst, mkEmptyTCvSubst,
 
         mkTCvSubst, zipTvSubst, mkTvSubstPrs,
+        zipTCvSubst,
         notElemTCvSubst,
         getTvSubstEnv, setTvSubstEnv,
         zapTCvSubst, getTCvInScope, getTCvSubstRangeFVs,
@@ -167,7 +179,9 @@ module Type (
         extendTCvSubst, extendCvSubst,
         extendTvSubst, extendTvSubstBinderAndInScope,
         extendTvSubstList, extendTvSubstAndInScope,
+        extendTCvSubstList,
         extendTvSubstWithClone,
+        extendTCvSubstWithClone,
         isInScope, composeTCvSubstEnv, composeTCvSubst, zipTyEnv, zipCoEnv,
         isEmptyTCvSubst, unionTCvSubst,
 
@@ -177,29 +191,31 @@ module Type (
         substTyUnchecked, substTysUnchecked, substThetaUnchecked,
         substTyWithUnchecked,
         substCoUnchecked, substCoWithUnchecked,
-        substTyVarBndr, substTyVar, substTyVars,
+        substTyVarBndr, substTyVarBndrs, substTyVar, substTyVars,
+        substVarBndr, substVarBndrs,
         cloneTyVarBndr, cloneTyVarBndrs, lookupTyVar,
 
         -- * Pretty-printing
         pprType, pprParendType, pprPrecType,
         pprTypeApp, pprTyThingCategory, pprShortTyThing,
-        pprTvBndr, pprTvBndrs, pprForAll, pprUserForAll,
+        pprTCvBndr, pprTCvBndrs, pprForAll, pprUserForAll,
         pprSigmaType, ppSuggestExplicitKinds,
         pprTheta, pprThetaArrowTy, pprClassPred,
         pprKind, pprParendKind, pprSourceTyCon,
-        TyPrec(..), maybeParen,
+        PprPrec(..), topPrec, sigPrec, opPrec, funPrec, appPrec, maybeParen,
         pprTyVar, pprTyVars,
+        pprWithTYPE,
 
         -- * Tidying type related things up for printing
         tidyType,      tidyTypes,
         tidyOpenType,  tidyOpenTypes,
         tidyOpenKind,
-        tidyTyCoVarBndr, tidyTyCoVarBndrs, tidyFreeTyCoVars,
+        tidyVarBndr, tidyVarBndrs, tidyFreeTyCoVars,
         tidyOpenTyCoVar, tidyOpenTyCoVars,
-        tidyTyVarOcc,
+        tidyTyCoVarOcc,
         tidyTopType,
         tidyKind,
-        tidyTyVarBinder, tidyTyVarBinders
+        tidyTyCoVarBinder, tidyTyCoVarBinders
     ) where
 
 #include "HsVersions.h"
@@ -227,13 +243,20 @@ import {-# SOURCE #-} TysWiredIn ( listTyCon, typeNatKind
                                  , typeSymbolKind, liftedTypeKind )
 import PrelNames
 import CoAxiom
-import {-# SOURCE #-} Coercion
+import {-# SOURCE #-} Coercion( mkNomReflCo, mkGReflCo, mkReflCo
+                              , mkTyConAppCo, mkAppCo, mkCoVarCo, mkAxiomRuleCo
+                              , mkForAllCo, mkFunCo, mkAxiomInstCo, mkUnivCo
+                              , mkSymCo, mkTransCo, mkNthCo, mkLRCo, mkInstCo
+                              , mkKindCo, mkSubCo, mkFunCo, mkAxiomInstCo
+                              , decomposePiCos, coercionKind, coercionType
+                              , isReflexiveCo, seqCo )
 
 -- others
 import Util
 import Outputable
 import FastString
 import Pair
+import DynFlags  ( gopt_set, GeneralFlag(Opt_PrintExplicitRuntimeReps) )
 import ListSetOps
 import Digraph
 import Unique ( nonDetCmpUnique )
@@ -241,7 +264,6 @@ import Unique ( nonDetCmpUnique )
 import Maybes           ( orElse )
 import Data.Maybe       ( isJust, mapMaybe )
 import Control.Monad    ( guard )
-import Control.Arrow    ( first, second )
 
 -- $type_classification
 -- #type_classification#
@@ -296,7 +318,7 @@ import Control.Arrow    ( first, second )
 --
 -- You don't normally have to worry about this, as the utility functions in
 -- this module will automatically convert a source into a representation type
--- if they are spotted, to the best of it's abilities. If you don't want this
+-- if they are spotted, to the best of its abilities. If you don't want this
 -- to happen, use the equivalent functions from the "TcType" module.
 
 {-
@@ -319,34 +341,10 @@ See also Trac #11715, which tracks removing this inconsistency.
 
 -}
 
-{-# INLINE coreView #-}
-coreView :: Type -> Maybe Type
--- ^ This function Strips off the /top layer only/ of a type synonym
--- application (if any) its underlying representation type.
--- Returns Nothing if there is nothing to look through.
--- This function considers 'Constraint' to be a synonym of @TYPE LiftedRep@.
---
--- By being non-recursive and inlined, this case analysis gets efficiently
--- joined onto the case analysis that the caller is already doing
-coreView (TyConApp tc tys) | Just (tenv, rhs, tys') <- expandSynTyCon_maybe tc tys
-  = Just (mkAppTys (substTy (mkTvSubstPrs tenv) rhs) tys')
-               -- The free vars of 'rhs' should all be bound by 'tenv', so it's
-               -- ok to use 'substTy' here.
-               -- See also Note [The substitution invariant] in TyCoRep.
-               -- Its important to use mkAppTys, rather than (foldl AppTy),
-               -- because the function part might well return a
-               -- partially-applied type constructor; indeed, usually will!
-
-coreView (TyConApp tc [])       -- At the Core level, Constraint = Type
-  | isStarKindSynonymTyCon tc
-  = Just liftedTypeKind
-
-coreView _ = Nothing
-
 -- | Gives the typechecker view of a type. This unwraps synonyms but
 -- leaves 'Constraint' alone. c.f. coreView, which turns Constraint into
 -- TYPE LiftedRep. Returns Nothing if no unwrapping happens.
--- See also Note [coreView vs tcView] in Type.
+-- See also Note [coreView vs tcView]
 {-# INLINE tcView #-}
 tcView :: Type -> Maybe Type
 tcView (TyConApp tc tys) | Just (tenv, rhs, tys') <- expandSynTyCon_maybe tc tys
@@ -359,6 +357,28 @@ tcView (TyConApp tc tys) | Just (tenv, rhs, tys') <- expandSynTyCon_maybe tc tys
                -- partially-applied type constructor; indeed, usually will!
 tcView _ = Nothing
 
+{-# INLINE coreView #-}
+coreView :: Type -> Maybe Type
+-- ^ This function Strips off the /top layer only/ of a type synonym
+-- application (if any) its underlying representation type.
+-- Returns Nothing if there is nothing to look through.
+-- This function considers 'Constraint' to be a synonym of @TYPE LiftedRep@.
+--
+-- By being non-recursive and inlined, this case analysis gets efficiently
+-- joined onto the case analysis that the caller is already doing
+coreView ty@(TyConApp tc tys)
+  | Just (tenv, rhs, tys') <- expandSynTyCon_maybe tc tys
+  = Just (mkAppTys (substTy (mkTvSubstPrs tenv) rhs) tys')
+    -- This equation is exactly like tcView
+
+  -- At the Core level, Constraint = Type
+  -- See Note [coreView vs tcView]
+  | isConstraintKindCon tc
+  = ASSERT2( null tys, ppr ty )
+    Just liftedTypeKind
+
+coreView _ = Nothing
+
 -----------------------------------------------
 expandTypeSynonyms :: Type -> Type
 -- ^ Expand out all type synonyms.  Actually, it'd suffice to expand out
@@ -395,14 +415,19 @@ expandTypeSynonyms ty
     go subst (AppTy t1 t2) = mkAppTy (go subst t1) (go subst t2)
     go subst (FunTy arg res)
       = mkFunTy (go subst arg) (go subst res)
-    go subst (ForAllTy (TvBndr tv vis) t)
-      = let (subst', tv') = substTyVarBndrCallback go subst tv in
-        ForAllTy (TvBndr tv' vis) (go subst' t)
+    go subst (ForAllTy (Bndr tv vis) t)
+      = let (subst', tv') = substVarBndrUsing go subst tv in
+        ForAllTy (Bndr tv' vis) (go subst' t)
     go subst (CastTy ty co)  = mkCastTy (go subst ty) (go_co subst co)
     go subst (CoercionTy co) = mkCoercionTy (go_co subst co)
 
-    go_co subst (Refl r ty)
-      = mkReflCo r (go subst ty)
+    go_mco _     MRefl    = MRefl
+    go_mco subst (MCo co) = MCo (go_co subst co)
+
+    go_co subst (Refl ty)
+      = mkNomReflCo (go subst ty)
+    go_co subst (GRefl r ty mco)
+      = mkGReflCo r (go subst ty) (go_mco subst mco)
        -- NB: coercions are always expanded upon creation
     go_co subst (TyConAppCo r tc args)
       = mkTyConAppCo r tc (map (go_co subst) args)
@@ -423,31 +448,31 @@ expandTypeSynonyms ty
       = mkSymCo (go_co subst co)
     go_co subst (TransCo co1 co2)
       = mkTransCo (go_co subst co1) (go_co subst co2)
-    go_co subst (NthCo n co)
-      = mkNthCo n (go_co subst co)
+    go_co subst (NthCo n co)
+      = mkNthCo n (go_co subst co)
     go_co subst (LRCo lr co)
       = mkLRCo lr (go_co subst co)
     go_co subst (InstCo co arg)
       = mkInstCo (go_co subst co) (go_co subst arg)
-    go_co subst (CoherenceCo co1 co2)
-      = mkCoherenceCo (go_co subst co1) (go_co subst co2)
     go_co subst (KindCo co)
       = mkKindCo (go_co subst co)
     go_co subst (SubCo co)
       = mkSubCo (go_co subst co)
-    go_co subst (AxiomRuleCo ax cs) = AxiomRuleCo ax (map (go_co subst) cs)
+    go_co subst (AxiomRuleCo ax cs)
+      = AxiomRuleCo ax (map (go_co subst) cs)
+    go_co _ (HoleCo h)
+      = pprPanic "expandTypeSynonyms hit a hole" (ppr h)
 
     go_prov _     UnsafeCoerceProv    = UnsafeCoerceProv
     go_prov subst (PhantomProv co)    = PhantomProv (go_co subst co)
     go_prov subst (ProofIrrelProv co) = ProofIrrelProv (go_co subst co)
     go_prov _     p@(PluginProv _)    = p
-    go_prov _     (HoleProv h)        = pprPanic "expandTypeSynonyms hit a hole" (ppr h)
 
       -- the "False" and "const" are to accommodate the type of
-      -- substForAllCoBndrCallback, which is general enough to
+      -- substForAllCoBndrUsing, which is general enough to
       -- handle coercion optimization (which sometimes swaps the
       -- order of a coercion)
-    go_cobndr subst = substForAllCoBndrCallback False (go_co subst) subst
+    go_cobndr subst = substForAllCoBndrUsing False (go_co subst) subst
 
 {-
 ************************************************************************
@@ -462,11 +487,11 @@ on all variables and binding sites. Primarily used for zonking.
 Note [Efficiency for mapCoercion ForAllCo case]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 As noted in Note [Forall coercions] in TyCoRep, a ForAllCo is a bit redundant.
-It stores a TyVar and a Coercion, where the kind of the TyVar always matches
+It stores a TyCoVar and a Coercion, where the kind of the TyCoVar always matches
 the left-hand kind of the coercion. This is convenient lots of the time, but
 not when mapping a function over a coercion.
 
-The problem is that tcm_tybinder will affect the TyVar's kind and
+The problem is that tcm_tybinder will affect the TyCoVar's kind and
 mapCoercion will affect the Coercion, and we hope that the results will be
 the same. Even if they are the same (which should generally happen with
 correct algorithms), then there is an efficiency issue. In particular,
@@ -493,35 +518,42 @@ this one change made a 20% allocation difference in perf/compiler/T5030.
 data TyCoMapper env m
   = TyCoMapper
       { tcm_smart :: Bool -- ^ Should the new type be created with smart
-                         -- constructors?
+                          -- constructors?
       , tcm_tyvar :: env -> TyVar -> m Type
       , tcm_covar :: env -> CoVar -> m Coercion
-      , tcm_hole  :: env -> CoercionHole -> Role
-                  -> Type -> Type -> m Coercion
-          -- ^ What to do with coercion holes. See Note [Coercion holes] in
-          -- TyCoRep.
+      , tcm_hole  :: env -> CoercionHole -> m Coercion
+          -- ^ What to do with coercion holes.
+          -- See Note [Coercion holes] in TyCoRep.
 
-      , tcm_tybinder :: env -> TyVar -> ArgFlag -> m (env, TyVar)
+      , tcm_tycobinder :: env -> TyCoVar -> ArgFlag -> m (env, TyCoVar)
           -- ^ The returned env is used in the extended scope
+
+      , tcm_tycon :: TyCon -> m TyCon
+          -- ^ This is used only to turn 'TcTyCon's into 'TyCon's.
+          -- See Note [Type checking recursive type and class declarations]
+          -- in TcTyClsDecls
       }
 
 {-# INLINABLE mapType #-}  -- See Note [Specialising mappers]
 mapType :: Monad m => TyCoMapper env m -> env -> Type -> m Type
 mapType mapper@(TyCoMapper { tcm_smart = smart, tcm_tyvar = tyvar
-                           , tcm_tybinder = tybinder })
+                           , tcm_tycobinder = tycobinder, tcm_tycon = tycon })
         env ty
   = go ty
   where
     go (TyVarTy tv) = tyvar env tv
     go (AppTy t1 t2) = mkappty <$> go t1 <*> go t2
-    go t@(TyConApp _ []) = return t  -- avoid allocation in this exceedingly
-                                     -- common case (mostly, for *)
-    go (TyConApp tc tys) = mktyconapp tc <$> mapM go tys
+    go t@(TyConApp tc []) | not (isTcTyCon tc)
+                          = return t  -- avoid allocation in this exceedingly
+                                      -- common case (mostly, for *)
+    go (TyConApp tc tys)
+      = do { tc' <- tycon tc
+           ; mktyconapp tc' <$> mapM go tys }
     go (FunTy arg res)   = FunTy <$> go arg <*> go res
-    go (ForAllTy (TvBndr tv vis) inner)
-      = do { (env', tv') <- tybinder env tv vis
+    go (ForAllTy (Bndr tv vis) inner)
+      = do { (env', tv') <- tycobinder env tv vis
            ; inner' <- mapType mapper env' inner
-           ; return $ ForAllTy (TvBndr tv' vis) inner' }
+           ; return $ ForAllTy (Bndr tv' vis) inner' }
     go ty@(LitTy {})   = return ty
     go (CastTy ty co)  = mkcastty <$> go ty <*> mapCoercion mapper env co
     go (CoercionTy co) = CoercionTy <$> mapCoercion mapper env co
@@ -534,17 +566,23 @@ mapType mapper@(TyCoMapper { tcm_smart = smart, tcm_tyvar = tyvar
 mapCoercion :: Monad m
             => TyCoMapper env m -> env -> Coercion -> m Coercion
 mapCoercion mapper@(TyCoMapper { tcm_smart = smart, tcm_covar = covar
-                               , tcm_hole = cohole, tcm_tybinder = tybinder })
+                               , tcm_hole = cohole, tcm_tycobinder = tycobinder
+                               , tcm_tycon = tycon })
             env co
   = go co
   where
-    go (Refl r ty) = Refl r <$> mapType mapper env ty
+    go_mco MRefl    = return MRefl
+    go_mco (MCo co) = MCo <$> (go co)
+
+    go (Refl ty) = Refl <$> mapType mapper env ty
+    go (GRefl r ty mco) = mkgreflco r <$> mapType mapper env ty <*> (go_mco mco)
     go (TyConAppCo r tc args)
-      = mktyconappco r tc <$> mapM go args
+      = do { tc' <- tycon tc
+           ; mktyconappco r tc' <$> mapM go args }
     go (AppCo c1 c2) = mkappco <$> go c1 <*> go c2
     go (ForAllCo tv kind_co co)
       = do { kind_co' <- go kind_co
-           ; (env', tv') <- tybinder env tv Inferred
+           ; (env', tv') <- tycobinder env tv Inferred
            ; co' <- mapCoercion mapper env' co
            ; return $ mkforallco tv' kind_co' co' }
         -- See Note [Efficiency for mapCoercion ForAllCo case]
@@ -552,18 +590,16 @@ mapCoercion mapper@(TyCoMapper { tcm_smart = smart, tcm_covar = covar
     go (CoVarCo cv) = covar env cv
     go (AxiomInstCo ax i args)
       = mkaxiominstco ax i <$> mapM go args
-    go (UnivCo (HoleProv hole) r t1 t2)
-      = cohole env hole r t1 t2
+    go (HoleCo hole) = cohole env hole
     go (UnivCo p r t1 t2)
       = mkunivco <$> go_prov p <*> pure r
                  <*> mapType mapper env t1 <*> mapType mapper env t2
     go (SymCo co) = mksymco <$> go co
     go (TransCo c1 c2) = mktransco <$> go c1 <*> go c2
     go (AxiomRuleCo r cos) = AxiomRuleCo r <$> mapM go cos
-    go (NthCo i co)        = mknthco i <$> go co
+    go (NthCo r i co)      = mknthco r i <$> go co
     go (LRCo lr co)        = mklrco lr <$> go co
     go (InstCo co arg)     = mkinstco <$> go co <*> go arg
-    go (CoherenceCo c1 c2) = mkcoherenceco <$> go c1 <*> go c2
     go (KindCo co)         = mkkindco <$> go co
     go (SubCo co)          = mksubco <$> go co
 
@@ -571,19 +607,18 @@ mapCoercion mapper@(TyCoMapper { tcm_smart = smart, tcm_covar = covar
     go_prov (PhantomProv co)    = PhantomProv <$> go co
     go_prov (ProofIrrelProv co) = ProofIrrelProv <$> go co
     go_prov p@(PluginProv _)    = return p
-    go_prov (HoleProv _)        = panic "mapCoercion"
 
     ( mktyconappco, mkappco, mkaxiominstco, mkunivco
-      , mksymco, mktransco, mknthco, mklrco, mkinstco, mkcoherenceco
-      , mkkindco, mksubco, mkforallco)
+      , mksymco, mktransco, mknthco, mklrco, mkinstco
+      , mkkindco, mksubco, mkforallco, mkgreflco)
       | smart
       = ( mkTyConAppCo, mkAppCo, mkAxiomInstCo, mkUnivCo
-        , mkSymCo, mkTransCo, mkNthCo, mkLRCo, mkInstCo, mkCoherenceCo
-        , mkKindCo, mkSubCo, mkForAllCo )
+        , mkSymCo, mkTransCo, mkNthCo, mkLRCo, mkInstCo
+        , mkKindCo, mkSubCo, mkForAllCo, mkGReflCo )
       | otherwise
       = ( TyConAppCo, AppCo, AxiomInstCo, UnivCo
-        , SymCo, TransCo, NthCo, LRCo, InstCo, CoherenceCo
-        , KindCo, SubCo, ForAllCo )
+        , SymCo, TransCo, NthCo, LRCo, InstCo
+        , KindCo, SubCo, ForAllCo, GRefl )
 
 {-
 ************************************************************************
@@ -614,7 +649,7 @@ getTyVar_maybe ty | Just ty' <- coreView ty = getTyVar_maybe ty'
                   | otherwise               = repGetTyVar_maybe ty
 
 -- | If the type is a tyvar, possibly under a cast, returns it, along
--- with the coercion. Thus, the co is :: kind tv ~N kind type
+-- with the coercion. Thus, the co is :: kind tv ~N kind ty
 getCastedTyVar_maybe :: Type -> Maybe (TyVar, CoercionN)
 getCastedTyVar_maybe ty | Just ty' <- coreView ty = getCastedTyVar_maybe ty'
 getCastedTyVar_maybe (CastTy (TyVarTy tv) co)     = Just (tv, co)
@@ -660,6 +695,11 @@ the type checker (e.g. when matching type-function equations).
 
 -- | Applies a type to another, as in e.g. @k a@
 mkAppTy :: Type -> Type -> Type
+  -- See Note [Respecting definitional equality], invariant (EQ1).
+mkAppTy (CastTy fun_ty co) arg_ty
+  | ([arg_co], res_co) <- decomposePiCos co (coercionKind co) [arg_ty]
+  = (fun_ty `mkAppTy` (arg_ty `mkCastTy` arg_co)) `mkCastTy` res_co
+
 mkAppTy (TyConApp tc tys) ty2 = mkTyConApp tc (tys ++ [ty2])
 mkAppTy ty1               ty2 = AppTy ty1 ty2
         -- Note that the TyConApp could be an
@@ -673,8 +713,17 @@ mkAppTy ty1               ty2 = AppTy ty1 ty2
 
 mkAppTys :: Type -> [Type] -> Type
 mkAppTys ty1                []   = ty1
+mkAppTys (CastTy fun_ty co) arg_tys  -- much more efficient then nested mkAppTy
+                                     -- Why do this? See (EQ1) of
+                                     -- Note [Respecting definitional equality]
+                                     -- in TyCoRep
+  = foldl' AppTy ((mkAppTys fun_ty casted_arg_tys) `mkCastTy` res_co) leftovers
+  where
+    (arg_cos, res_co) = decomposePiCos co (coercionKind co) arg_tys
+    (args_to_cast, leftovers) = splitAtList arg_cos arg_tys
+    casted_arg_tys = zipWith mkCastTy args_to_cast arg_cos
 mkAppTys (TyConApp tc tys1) tys2 = mkTyConApp tc (tys1 ++ tys2)
-mkAppTys ty1                tys2 = foldl AppTy ty1 tys2
+mkAppTys ty1                tys2 = foldl' AppTy ty1 tys2
 
 -------------
 splitAppTy_maybe :: Type -> Maybe (Type, Type)
@@ -705,14 +754,14 @@ repSplitAppTy_maybe (TyConApp tc tys)
 
 repSplitAppTy_maybe _other = Nothing
 
--- this one doesn't braek apart (c => t).
+-- This one doesn't break apart (c => t).
 -- See Note [Decomposing fat arrow c=>t]
 -- Defined here to avoid module loops between Unify and TcType.
 tcRepSplitAppTy_maybe :: Type -> Maybe (Type,Type)
 -- ^ Does the AppTy split as in 'tcSplitAppTy_maybe', but assumes that
 -- any coreView stuff is already done. Refuses to look through (c => t)
 tcRepSplitAppTy_maybe (FunTy ty1 ty2)
-  | isConstraintKind (typeKind ty1)
+  | isPredTy ty1
   = Nothing  -- See Note [Decomposing fat arrow c=>t]
 
   | otherwise
@@ -728,18 +777,6 @@ tcRepSplitAppTy_maybe (TyConApp tc tys)
   = Just (TyConApp tc tys', ty')    -- Never create unsaturated type family apps!
 tcRepSplitAppTy_maybe _other = Nothing
 
--- | Split a type constructor application into its type constructor and
--- applied types. Note that this may fail in the case of a 'FunTy' with an
--- argument of unknown kind 'FunTy' (e.g. @FunTy (a :: k) Int@. since the kind
--- of @a@ isn't of the form @TYPE rep@). Consequently, you may need to zonk your
--- type before using this function.
---
--- If you only need the 'TyCon', consider using 'tcTyConAppTyCon_maybe'.
-tcSplitTyConApp_maybe :: HasCallStack => Type -> Maybe (TyCon, [Type])
--- Defined here to avoid module loops between Unify and TcType.
-tcSplitTyConApp_maybe ty | Just ty' <- tcView ty = tcSplitTyConApp_maybe ty'
-tcSplitTyConApp_maybe ty                         = tcRepSplitTyConApp_maybe ty
-
 -- | Like 'tcSplitTyConApp_maybe' but doesn't look through type synonyms.
 tcRepSplitTyConApp_maybe :: HasCallStack => Type -> Maybe (TyCon, [Type])
 -- Defined here to avoid module loops between Unify and TcType.
@@ -831,6 +868,11 @@ isStrLitTy ty | Just ty1 <- coreView ty = isStrLitTy ty1
 isStrLitTy (LitTy (StrTyLit s)) = Just s
 isStrLitTy _                    = Nothing
 
+-- | Is this a type literal (symbol or numeric).
+isLitTy :: Type -> Maybe TyLit
+isLitTy ty | Just ty1 <- coreView ty = isLitTy ty1
+isLitTy (LitTy l)                    = Just l
+isLitTy _                            = Nothing
 
 -- | Is this type a custom user error?
 -- If so, give us the kind and the error message.
@@ -881,7 +923,7 @@ pprUserTypeErrorTy ty =
 Note [Representation of function types]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 
-Functions (e.g. Int -> Char) are can be thought of as being applications
+Functions (e.g. Int -> Char) can be thought of as being applications
 of funTyCon (known in Haskell surface syntax as (->)),
 
     (->) :: forall (r1 :: RuntimeRep) (r2 :: RuntimeRep)
@@ -942,26 +984,25 @@ funArgTy ty | Just ty' <- coreView ty = funArgTy ty'
 funArgTy (FunTy arg _res) = arg
 funArgTy ty               = pprPanic "funArgTy" (ppr ty)
 
+-- ^ Just like 'piResultTys' but for a single argument
+-- Try not to iterate 'piResultTy', because it's inefficient to substitute
+-- one variable at a time; instead use 'piResultTys"
 piResultTy :: HasDebugCallStack => Type -> Type ->  Type
 piResultTy ty arg = case piResultTy_maybe ty arg of
                       Just res -> res
                       Nothing  -> pprPanic "piResultTy" (ppr ty $$ ppr arg)
 
 piResultTy_maybe :: Type -> Type -> Maybe Type
-
--- ^ Just like 'piResultTys' but for a single argument
--- Try not to iterate 'piResultTy', because it's inefficient to substitute
--- one variable at a time; instead use 'piResultTys"
 piResultTy_maybe ty arg
   | Just ty' <- coreView ty = piResultTy_maybe ty' arg
 
   | FunTy _ res <- ty
   = Just res
 
-  | ForAllTy (TvBndr tv _) res <- ty
+  | ForAllTy (Bndr tv _) res <- ty
   = let empty_subst = mkEmptyTCvSubst $ mkInScopeSet $
                       tyCoVarsOfTypes [arg,res]
-    in Just (substTy (extendTvSubst empty_subst tv arg) res)
+    in Just (substTy (extendTCvSubst empty_subst tv arg) res)
 
   | otherwise
   = Nothing
@@ -996,34 +1037,39 @@ piResultTys ty orig_args@(arg:args)
   | FunTy _ res <- ty
   = piResultTys res args
 
-  | ForAllTy (TvBndr tv _) res <- ty
-  = go (extendVarEnv emptyTvSubstEnv tv arg) res args
+  | ForAllTy (Bndr tv _) res <- ty
+  = go (extendTCvSubst init_subst tv arg) res args
 
   | otherwise
   = pprPanic "piResultTys1" (ppr ty $$ ppr orig_args)
   where
-    in_scope = mkInScopeSet (tyCoVarsOfTypes (ty:orig_args))
+    init_subst = mkEmptyTCvSubst $ mkInScopeSet (tyCoVarsOfTypes (ty:orig_args))
 
-    go :: TvSubstEnv -> Type -> [Type] -> Type
-    go tv_env ty [] = substTy (mkTvSubst in_scope tv_env) ty
+    go :: TCvSubst -> Type -> [Type] -> Type
+    go subst ty [] = substTy subst ty
 
-    go tv_env ty all_args@(arg:args)
+    go subst ty all_args@(arg:args)
       | Just ty' <- coreView ty
-      = go tv_env ty' all_args
+      = go subst ty' all_args
 
       | FunTy _ res <- ty
-      = go tv_env res args
+      = go subst res args
 
-      | ForAllTy (TvBndr tv _) res <- ty
-      = go (extendVarEnv tv_env tv arg) res args
+      | ForAllTy (Bndr tv _) res <- ty
+      = go (extendTCvSubst subst tv arg) res args
 
-      | TyVarTy tv <- ty
-      , Just ty' <- lookupVarEnv tv_env tv
-        -- Deals with piResultTys (forall a. a) [forall b.b, Int]
-      = piResultTys ty' all_args
+      | not (isEmptyTCvSubst subst)  -- See Note [Care with kind instantiation]
+      = go init_subst
+          (substTy subst ty)
+          all_args
 
       | otherwise
-      = pprPanic "piResultTys2" (ppr ty $$ ppr orig_args $$ ppr all_args)
+      = -- We have not run out of arguments, but the function doesn't
+        -- have the right kind to apply to them; so panic.
+        -- Without the explicit isEmptyVarEnv test, an ill-kinded type
+        -- would give an infniite loop, which is very unhelpful
+        -- c.f. Trac #15473
+        pprPanic "piResultTys2" (ppr ty $$ ppr orig_args $$ ppr all_args)
 
 applyTysX :: [TyVar] -> Type -> [Type] -> Type
 -- applyTyxX beta-reduces (/\tvs. body_ty) arg_tys
@@ -1037,7 +1083,35 @@ applyTysX tvs body_ty arg_tys
     pp_stuff = vcat [ppr tvs, ppr body_ty, ppr arg_tys]
     n_tvs = length tvs
 
-{-
+
+
+{- Note [Care with kind instantiation]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Suppose we have
+  T :: forall k. k
+and we are finding the kind of
+  T (forall b. b -> b) * Int
+Then
+  T (forall b. b->b) :: k[ k :-> forall b. b->b]
+                     :: forall b. b -> b
+So
+  T (forall b. b->b) * :: (b -> b)[ b :-> *]
+                       :: * -> *
+
+In other words we must intantiate the forall!
+
+Similarly (Trac #15428)
+   S :: forall k f. k -> f k
+and we are finding the kind of
+   S * (* ->) Int Bool
+We have
+   S * (* ->) :: (k -> f k)[ k :-> *, f :-> (* ->)]
+              :: * -> * -> *
+So again we must instantiate.
+
+The same thing happens in ToIface.toIfaceAppArgsX.
+
+
 ---------------------------------------------------------------------
                                 TyConApp
                                 ~~~~~~~~
@@ -1127,10 +1201,6 @@ splitListTyConApp_maybe ty = case splitTyConApp_maybe ty of
   Just (tc,[e]) | tc == listTyCon -> Just e
   _other                          -> Nothing
 
--- | What is the role assigned to the next parameter of this type? Usually,
--- this will be 'Nominal', but if the type is a 'TyConApp', we may be able to
--- do better. The type does *not* have to be well-kinded when applied for this
--- to work!
 nextRole :: Type -> Role
 nextRole ty
   | Just (tc, tys) <- splitTyConApp_maybe ty
@@ -1157,47 +1227,21 @@ newTyConInstRhs tycon tys
                            ~~~~~~
 A casted type has its *kind* casted into something new.
 
-Note [No reflexive casts in types]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-As far as possible, we would like to maintain the following property:
-
-  (*) If (t1 `eqType` t2), then t1 and t2 are treated identically within GHC.
-
-The (*) property is very useful, because we have a tendency to compare two
-types to see if they're equal, and then arbitrarily choose one. We don't
-want this arbitrary choice to then matter later on. Maintaining (*) means
-that every function that looks at a structure of a type must think about
-casts. In places where we directly pattern-match, this consideration is
-forced by consideration of the CastTy constructor.
-
-But, when we call a splitXXX function, it's easy to ignore the possibility
-of casts. In particular, splitTyConApp is used extensively, and we don't
-want it to fail on (T a b c |> co). Happily, if we have
-  (T a b c |> co) `eqType` (T d e f)
-then co must be reflexive. Why? eqType checks that the kinds are equal, as
-well as checking that (a `eqType` d), (b `eqType` e), and (c `eqType` f).
-By the kind check, we know that (T a b c |> co) and (T d e f) have the same
-kind. So the only way that co could be non-reflexive is for (T a b c) to have
-a different kind than (T d e f). But because T's kind is closed (all tycon kinds
-are closed), the only way for this to happen is that one of the arguments has
-to differ, leading to a contradiction. Thus, co is reflexive.
-
-Accordingly, by eliminating reflexive casts, splitTyConApp need not worry
-about outermost casts to uphold (*).
-
-Unfortunately, that's not the end of the story. Consider comparing
-  (T a b c)      =?       (T a b |> (co -> <Type>)) (c |> sym co)
-These two types have the same kind (Type), but the left type is a TyConApp
-while the right type is not. To handle this case, we will have to implement
-some variant of the dreaded KPush algorithm (c.f. CoreOpt.pushCoDataCon).
-This stone is left unturned for now, meaning that we don't yet uphold (*).
-
-The other place where (*) will be hard to guarantee is in splitAppTy, because
-I (Richard E) can't think of a way to push coercions into AppTys. The good
-news here is that splitAppTy is not used all that much, and so all clients of
-that function can simply be told to use splitCastTy as well, in order to
-uphold (*). This, too, is left undone, for now.
+Note [Weird typing rule for ForAllTy]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Here is the (truncated) typing rule for the dependent ForAllTy:
+
+inner : kind
+------------------------------------
+ForAllTy (Bndr tyvar vis) inner : kind
+
+inner : TYPE r
+------------------------------------
+ForAllTy (Bndr covar vis) inner : TYPE
 
+Note that when inside the binder is a tyvar, neither the inner type nor for
+ForAllTy itself have to have kind *! But, it means that we should push any kind
+casts through the ForAllTy. The only trouble is avoiding capture.
 -}
 
 splitCastTy_maybe :: Type -> Maybe (Type, Coercion)
@@ -1207,24 +1251,39 @@ splitCastTy_maybe _                            = Nothing
 
 -- | Make a 'CastTy'. The Coercion must be nominal. Checks the
 -- Coercion for reflexivity, dropping it if it's reflexive.
--- See Note [No reflexive casts in types]
+-- See Note [Respecting definitional equality] in TyCoRep
 mkCastTy :: Type -> Coercion -> Type
-mkCastTy ty co | isReflexiveCo co = ty
+mkCastTy ty co | isReflexiveCo co = ty  -- (EQ2) from the Note
 -- NB: Do the slow check here. This is important to keep the splitXXX
 -- functions working properly. Otherwise, we may end up with something
 -- like (((->) |> something_reflexive_but_not_obviously_so) biz baz)
 -- fails under splitFunTy_maybe. This happened with the cheaper check
 -- in test dependent/should_compile/dynamic-paper.
 
-mkCastTy (CastTy ty co1) co2 = mkCastTy ty (co1 `mkTransCo` co2)
+mkCastTy (CastTy ty co1) co2
+  -- (EQ3) from the Note
+  = mkCastTy ty (co1 `mkTransCo` co2)
+      -- call mkCastTy again for the reflexivity check
+
+mkCastTy (ForAllTy (Bndr tv vis) inner_ty) co
+  -- (EQ4) from the Note
+  | isTyVar tv
+  , let fvs = tyCoVarsOfCo co
+  = -- have to make sure that pushing the co in doesn't capture the bound var!
+    if tv `elemVarSet` fvs
+    then let empty_subst = mkEmptyTCvSubst (mkInScopeSet fvs)
+             (subst, tv') = substVarBndr empty_subst tv
+         in ForAllTy (Bndr tv' vis) (substTy subst inner_ty `mkCastTy` co)
+    else ForAllTy (Bndr tv vis) (inner_ty `mkCastTy` co)
+
 mkCastTy ty co = CastTy ty co
 
-tyConBindersTyBinders :: [TyConBinder] -> [TyBinder]
--- Return the tyConBinders in TyBinder form
-tyConBindersTyBinders = map to_tyb
+tyConBindersTyCoBinders :: [TyConBinder] -> [TyCoBinder]
+-- Return the tyConBinders in TyCoBinder form
+tyConBindersTyCoBinders = map to_tyb
   where
-    to_tyb (TvBndr tv (NamedTCB vis)) = Named (TvBndr tv vis)
-    to_tyb (TvBndr tv AnonTCB)        = Anon (tyVarKind tv)
+    to_tyb (Bndr tv (NamedTCB vis)) = Named (Bndr tv vis)
+    to_tyb (Bndr tv AnonTCB)        = Anon (varType tv)
 
 {-
 --------------------------------------------------------------------
@@ -1276,26 +1335,40 @@ interfaces.  Notably this plays a role in tcTySigs in TcBinds.hs.
 
 -- | Make a dependent forall over an Inferred (as opposed to Specified)
 -- variable
+mkTyCoInvForAllTy :: TyCoVar -> Type -> Type
+mkTyCoInvForAllTy tv ty
+  | isCoVar tv
+  , not (tv `elemVarSet` tyCoVarsOfType ty)
+  = mkFunTy (varType tv) ty
+  | otherwise
+  = ForAllTy (Bndr tv Inferred) ty
+
+-- | Like mkTyCoInvForAllTy, but tv should be a tyvar
 mkInvForAllTy :: TyVar -> Type -> Type
 mkInvForAllTy tv ty = ASSERT( isTyVar tv )
-                      ForAllTy (TvBndr tv Inferred) ty
+                      ForAllTy (Bndr tv Inferred) ty
 
 -- | Like mkForAllTys, but assumes all variables are dependent and Inferred,
 -- a common case
+mkTyCoInvForAllTys :: [TyCoVar] -> Type -> Type
+mkTyCoInvForAllTys tvs ty = foldr mkTyCoInvForAllTy ty tvs
+
+-- | Like 'mkTyCoInvForAllTys', but tvs should be a list of tyvar
 mkInvForAllTys :: [TyVar] -> Type -> Type
-mkInvForAllTys tvs ty = ASSERT( all isTyVar tvs )
-                        foldr mkInvForAllTy ty tvs
+mkInvForAllTys tvs ty = foldr mkInvForAllTy ty tvs
 
 -- | Like mkForAllTys, but assumes all variables are dependent and specified,
 -- a common case
 mkSpecForAllTys :: [TyVar] -> Type -> Type
 mkSpecForAllTys tvs = ASSERT( all isTyVar tvs )
-                     mkForAllTys [ TvBndr tv Specified | tv <- tvs ]
+                      -- covar is always Inferred, so all inputs should be tyvar
+                      mkForAllTys [ Bndr tv Specified | tv <- tvs ]
 
 -- | Like mkForAllTys, but assumes all variables are dependent and visible
 mkVisForAllTys :: [TyVar] -> Type -> Type
 mkVisForAllTys tvs = ASSERT( all isTyVar tvs )
-                     mkForAllTys [ TvBndr tv Required | tv <- tvs ]
+                     -- covar is always Inferred, so all inputs should be tyvar
+                     mkForAllTys [ Bndr tv Required | tv <- tvs ]
 
 mkLamType  :: Var -> Type -> Type
 -- ^ Makes a @(->)@ type or an implicit forall type, depending
@@ -1306,50 +1379,67 @@ mkLamTypes :: [Var] -> Type -> Type
 -- ^ 'mkLamType' for multiple type or value arguments
 
 mkLamType v ty
-   | isTyVar v = ForAllTy (TvBndr v Inferred) ty
-   | otherwise = FunTy    (varType v)          ty
+   | isCoVar v
+   , v `elemVarSet` tyCoVarsOfType ty
+   = ForAllTy (Bndr v Inferred) ty
+   | isTyVar v
+   = ForAllTy (Bndr v Inferred) ty
+   | otherwise
+   = FunTy (varType v) ty
 
 mkLamTypes vs ty = foldr mkLamType ty vs
 
 -- | Given a list of type-level vars and a result kind,
--- makes TyBinders, preferring anonymous binders
+-- makes TyCoBinders, preferring anonymous binders
 -- if the variable is, in fact, not dependent.
 -- e.g.    mkTyConBindersPreferAnon [(k:*),(b:k),(c:k)] (k->k)
--- We want (k:*) Named, (a;k) Anon, (c:k) Anon
+-- We want (k:*) Named, (b:k) Anon, (c:k) Anon
 --
--- All binders are /visible/.
+-- All non-coercion binders are /visible/.
 mkTyConBindersPreferAnon :: [TyVar] -> Type -> [TyConBinder]
-mkTyConBindersPreferAnon vars inner_ty = fst (go vars)
+mkTyConBindersPreferAnon vars inner_ty = ASSERT( all isTyVar vars)
+                                               fst (go vars)
   where
     go :: [TyVar] -> ([TyConBinder], VarSet) -- also returns the free vars
     go [] = ([], tyCoVarsOfType inner_ty)
-    go (v:vs) |  v `elemVarSet` fvs
-              = ( TvBndr v (NamedTCB Required) : binders
+    go (v:vs) | v `elemVarSet` fvs
+              = ( Bndr v (NamedTCB Required) : binders
                 , fvs `delVarSet` v `unionVarSet` kind_vars )
               | otherwise
-              = ( TvBndr v AnonTCB : binders
+              = ( Bndr v AnonTCB : binders
                 , fvs `unionVarSet` kind_vars )
       where
         (binders, fvs) = go vs
         kind_vars      = tyCoVarsOfType $ tyVarKind v
 
--- | Take a ForAllTy apart, returning the list of tyvars and the result type.
+-- | Take a ForAllTy apart, returning the list of tycovars and the result type.
 -- This always succeeds, even if it returns only an empty list. Note that the
 -- result type returned may have free variables that were bound by a forall.
-splitForAllTys :: Type -> ([TyVar], Type)
+splitForAllTys :: Type -> ([TyCoVar], Type)
 splitForAllTys ty = split ty ty []
   where
     split orig_ty ty tvs | Just ty' <- coreView ty = split orig_ty ty' tvs
-    split _       (ForAllTy (TvBndr tv _) ty) tvs = split ty ty (tv:tvs)
-    split orig_ty _                           tvs = (reverse tvs, orig_ty)
+    split _       (ForAllTy (Bndr tv _) ty)    tvs = split ty ty (tv:tvs)
+    split orig_ty _                            tvs = (reverse tvs, orig_ty)
+
+-- | Like splitForAllTys, but split only for tyvars.
+-- This always succeeds, even if it returns only an empty list. Note that the
+-- result type returned may have free variables that were bound by a forall.
+splitTyVarForAllTys :: Type -> ([TyVar], Type)
+splitTyVarForAllTys ty = split ty ty []
+  where
+    split orig_ty ty tvs | Just ty' <- coreView ty     = split orig_ty ty' tvs
+    split _ (ForAllTy (Bndr tv _) ty) tvs | isTyVar tv = split ty ty (tv:tvs)
+    split orig_ty _                   tvs              = (reverse tvs, orig_ty)
 
 -- | Like 'splitPiTys' but split off only /named/ binders.
-splitForAllTyVarBndrs :: Type -> ([TyVarBinder], Type)
-splitForAllTyVarBndrs ty = split ty ty []
+splitForAllVarBndrs :: Type -> ([TyCoVarBinder], Type)
+splitForAllVarBndrs ty = split ty ty []
   where
     split orig_ty ty bs | Just ty' <- coreView ty = split orig_ty ty' bs
-    split _       (ForAllTy b res) bs  = split res res (b:bs)
-    split orig_ty _                bs  = (reverse bs, orig_ty)
+    split _       (ForAllTy b res) bs = split res res (b:bs)
+    split orig_ty _                bs = (reverse bs, orig_ty)
+{-# INLINE splitForAllVarBndrs #-}
 
 -- | Checks whether this is a proper forall (with a named binder)
 isForAllTy :: Type -> Bool
@@ -1357,6 +1447,18 @@ isForAllTy ty | Just ty' <- coreView ty = isForAllTy ty'
 isForAllTy (ForAllTy {}) = True
 isForAllTy _             = False
 
+-- | Like `isForAllTy`, but returns True only if it is a tyvar binder
+isForAllTy_ty :: Type -> Bool
+isForAllTy_ty ty | Just ty' <- coreView ty = isForAllTy_ty ty'
+isForAllTy_ty (ForAllTy (Bndr tv _) _) | isTyVar tv = True
+isForAllTy_ty _             = False
+
+-- | Like `isForAllTy`, but returns True only if it is a covar binder
+isForAllTy_co :: Type -> Bool
+isForAllTy_co ty | Just ty' <- coreView ty = isForAllTy_co ty'
+isForAllTy_co (ForAllTy (Bndr tv _) _) | isCoVar tv = True
+isForAllTy_co _             = False
+
 -- | Is this a function or forall?
 isPiTy :: Type -> Bool
 isPiTy ty | Just ty' <- coreView ty = isForAllTy ty'
@@ -1365,7 +1467,7 @@ isPiTy (FunTy {})    = True
 isPiTy _             = False
 
 -- | Take a forall type apart, or panics if that is not possible.
-splitForAllTy :: Type -> (TyVar, Type)
+splitForAllTy :: Type -> (TyCoVar, Type)
 splitForAllTy ty
   | Just answer <- splitForAllTy_maybe ty = answer
   | otherwise                             = pprPanic "splitForAllTy" (ppr ty)
@@ -1380,16 +1482,32 @@ dropForAlls ty = go ty
 
 -- | Attempts to take a forall type apart, but only if it's a proper forall,
 -- with a named binder
-splitForAllTy_maybe :: Type -> Maybe (TyVar, Type)
+splitForAllTy_maybe :: Type -> Maybe (TyCoVar, Type)
 splitForAllTy_maybe ty = go ty
   where
     go ty | Just ty' <- coreView ty = go ty'
-    go (ForAllTy (TvBndr tv _) ty) = Just (tv, ty)
-    go _                           = Nothing
+    go (ForAllTy (Bndr tv _) ty)    = Just (tv, ty)
+    go _                            = Nothing
+
+-- | Like splitForAllTy_maybe, but only returns Just if it is a tyvar binder.
+splitForAllTy_ty_maybe :: Type -> Maybe (TyCoVar, Type)
+splitForAllTy_ty_maybe ty = go ty
+  where
+    go ty | Just ty' <- coreView ty = go ty'
+    go (ForAllTy (Bndr tv _) ty) | isTyVar tv = Just (tv, ty)
+    go _                            = Nothing
+
+-- | Like splitForAllTy_maybe, but only returns Just if it is a covar binder.
+splitForAllTy_co_maybe :: Type -> Maybe (TyCoVar, Type)
+splitForAllTy_co_maybe ty = go ty
+  where
+    go ty | Just ty' <- coreView ty = go ty'
+    go (ForAllTy (Bndr tv _) ty) | isCoVar tv = Just (tv, ty)
+    go _                            = Nothing
 
 -- | Attempts to take a forall type apart; works with proper foralls and
 -- functions
-splitPiTy_maybe :: Type -> Maybe (TyBinder, Type)
+splitPiTy_maybe :: Type -> Maybe (TyCoBinder, Type)
 splitPiTy_maybe ty = go ty
   where
     go ty | Just ty' <- coreView ty = go ty'
@@ -1398,45 +1516,73 @@ splitPiTy_maybe ty = go ty
     go _                  = Nothing
 
 -- | Takes a forall type apart, or panics
-splitPiTy :: Type -> (TyBinder, Type)
+splitPiTy :: Type -> (TyCoBinder, Type)
 splitPiTy ty
   | Just answer <- splitPiTy_maybe ty = answer
   | otherwise                         = pprPanic "splitPiTy" (ppr ty)
 
--- | Split off all TyBinders to a type, splitting both proper foralls
+-- | Split off all TyCoBinders to a type, splitting both proper foralls
 -- and functions
-splitPiTys :: Type -> ([TyBinder], Type)
-splitPiTys ty = split ty ty []
+splitPiTys :: Type -> ([TyCoBinder], Type)
+splitPiTys ty = split ty ty
   where
-    split orig_ty ty bs | Just ty' <- coreView ty = split orig_ty ty' bs
-    split _       (ForAllTy b res) bs  = split res res (Named b  : bs)
-    split _       (FunTy arg res)  bs  = split res res (Anon arg : bs)
-    split orig_ty _                bs  = (reverse bs, orig_ty)
+    split orig_ty ty | Just ty' <- coreView ty = split orig_ty ty'
+    split _       (ForAllTy b res) = let (bs, ty) = split res res
+                                     in  (Named b : bs, ty)
+    split _       (FunTy arg res)  = let (bs, ty) = split res res
+                                     in  (Anon arg : bs, ty)
+    split orig_ty _                = ([], orig_ty)
 
 -- Like splitPiTys, but returns only *invisible* binders, including constraints
 -- Stops at the first visible binder
-splitPiTysInvisible :: Type -> ([TyBinder], Type)
+splitPiTysInvisible :: Type -> ([TyCoBinder], Type)
 splitPiTysInvisible ty = split ty ty []
    where
     split orig_ty ty bs | Just ty' <- coreView ty = split orig_ty ty' bs
-    split _       (ForAllTy b@(TvBndr _ vis) res) bs
+    split _       (ForAllTy b@(Bndr _ vis) res) bs
       | isInvisibleArgFlag vis         = split res res (Named b  : bs)
     split _       (FunTy arg res)  bs
       | isPredTy arg                   = split res res (Anon arg : bs)
     split orig_ty _                bs  = (reverse bs, orig_ty)
 
--- | Given a tycon and its arguments, filters out any invisible arguments
+-- | Given a 'TyCon' and a list of argument types, filter out any invisible
+-- (i.e., 'Inferred' or 'Specified') arguments.
 filterOutInvisibleTypes :: TyCon -> [Type] -> [Type]
-filterOutInvisibleTypes tc tys = snd $ partitionInvisibles tc id tys
+filterOutInvisibleTypes tc tys = snd $ partitionInvisibleTypes tc tys
+
+-- | Given a 'TyCon' and a list of argument types, filter out any 'Inferred'
+-- arguments.
+filterOutInferredTypes :: TyCon -> [Type] -> [Type]
+filterOutInferredTypes tc tys =
+  filterByList (map (/= Inferred) $ tyConArgFlags tc tys) tys
+
+-- | Given a 'TyCon' and a list of argument types, partition the arguments
+-- into:
+--
+-- 1. 'Inferred' or 'Specified' (i.e., invisible) arguments and
+--
+-- 2. 'Required' (i.e., visible) arguments
+partitionInvisibleTypes :: TyCon -> [Type] -> ([Type], [Type])
+partitionInvisibleTypes tc tys =
+  partitionByList (map isInvisibleArgFlag $ tyConArgFlags tc tys) tys
+
+-- | Given a list of things paired with their visibilities, partition the
+-- things into (invisible things, visible things).
+partitionInvisibles :: [(a, ArgFlag)] -> ([a], [a])
+partitionInvisibles = partitionWith pick_invis
+  where
+    pick_invis :: (a, ArgFlag) -> Either a a
+    pick_invis (thing, vis) | isInvisibleArgFlag vis = Left thing
+                            | otherwise              = Right thing
 
--- | Given a tycon and a list of things (which correspond to arguments),
--- partitions the things into
---      Inferred or Specified ones and
---      Required ones
--- The callback function is necessary for this scenario:
+-- | Given a 'TyCon' and a list of argument types to which the 'TyCon' is
+-- applied, determine each argument's visibility
+-- ('Inferred', 'Specified', or 'Required').
+--
+-- Wrinkle: consider the following scenario:
 --
 -- > T :: forall k. k -> k
--- > partitionInvisibles T [forall m. m -> m -> m, S, R, Q]
+-- > tyConArgFlags T [forall m. m -> m -> m, S, R, Q]
 --
 -- After substituting, we get
 --
@@ -1444,23 +1590,38 @@ filterOutInvisibleTypes tc tys = snd $ partitionInvisibles tc id tys
 --
 -- Thus, the first argument is invisible, @S@ is visible, @R@ is invisible again,
 -- and @Q@ is visible.
+tyConArgFlags :: TyCon -> [Type] -> [ArgFlag]
+tyConArgFlags tc = fun_kind_arg_flags (tyConKind tc)
+
+-- | Given a 'Type' and a list of argument types to which the 'Type' is
+-- applied, determine each argument's visibility
+-- ('Inferred', 'Specified', or 'Required').
 --
--- If you're absolutely sure that your tycon's kind doesn't end in a variable,
--- it's OK if the callback function panics, as that's the only time it's
--- consulted.
-partitionInvisibles :: TyCon -> (a -> Type) -> [a] -> ([a], [a])
-partitionInvisibles tc get_ty = go emptyTCvSubst (tyConKind tc)
+-- Most of the time, the arguments will be 'Required', but not always. Consider
+-- @f :: forall a. a -> Type@. In @f Type Bool@, the first argument (@Type@) is
+-- 'Specified' and the second argument (@Bool@) is 'Required'. It is precisely
+-- this sort of higher-rank situation in which 'appTyArgFlags' comes in handy,
+-- since @f Type Bool@ would be represented in Core using 'AppTy's.
+-- (See also Trac #15792).
+appTyArgFlags :: Type -> [Type] -> [ArgFlag]
+appTyArgFlags ty = fun_kind_arg_flags (typeKind ty)
+
+-- | Given a function kind and a list of argument types (where each argument's
+-- kind aligns with the corresponding position in the argument kind), determine
+-- each argument's visibility ('Inferred', 'Specified', or 'Required').
+fun_kind_arg_flags :: Kind -> [Type] -> [ArgFlag]
+fun_kind_arg_flags = go emptyTCvSubst
   where
-    go _ _ [] = ([], [])
-    go subst (ForAllTy (TvBndr tv vis) res_ki) (x:xs)
-      | isVisibleArgFlag vis = second (x :) (go subst' res_ki xs)
-      | otherwise            = first  (x :) (go subst' res_ki xs)
+    go _ _ [] = []
+    go subst (ForAllTy (Bndr tv argf) res_ki) (arg_ty:arg_tys)
+      = argf : go subst' res_ki arg_tys
       where
-        subst' = extendTvSubst subst tv (get_ty x)
-    go subst (TyVarTy tv) xs
-      | Just ki <- lookupTyVar subst tv = go subst ki xs
-    go _ _ xs = ([], xs)  -- something is ill-kinded. But this can happen
-                          -- when printing errors. Assume everything is visible.
+        subst' = extendTvSubst subst tv arg_ty
+    go subst (TyVarTy tv) arg_tys
+      | Just ki <- lookupTyVar subst tv = go subst ki arg_tys
+    go _ _ arg_tys = map (const Required) arg_tys
+                        -- something is ill-kinded. But this can happen
+                        -- when printing errors. Assume everything is Required.
 
 -- @isTauTy@ tests if a type has no foralls
 isTauTy :: Type -> Bool
@@ -1477,39 +1638,49 @@ isTauTy (CoercionTy _)        = False  -- Not sure about this
 {-
 %************************************************************************
 %*                                                                      *
-   TyBinders
+   TyCoBinders
 %*                                                                      *
 %************************************************************************
 -}
 
 -- | Make an anonymous binder
-mkAnonBinder :: Type -> TyBinder
+mkAnonBinder :: Type -> TyCoBinder
 mkAnonBinder = Anon
 
 -- | Does this binder bind a variable that is /not/ erased? Returns
 -- 'True' for anonymous binders.
-isAnonTyBinder :: TyBinder -> Bool
-isAnonTyBinder (Named {}) = False
-isAnonTyBinder (Anon {})  = True
+isAnonTyCoBinder :: TyCoBinder -> Bool
+isAnonTyCoBinder (Named {}) = False
+isAnonTyCoBinder (Anon {})  = True
 
-isNamedTyBinder :: TyBinder -> Bool
-isNamedTyBinder (Named {}) = True
-isNamedTyBinder (Anon {})  = False
+isNamedTyCoBinder :: TyCoBinder -> Bool
+isNamedTyCoBinder (Named {}) = True
+isNamedTyCoBinder (Anon {})  = False
 
-tyBinderType :: TyBinder -> Type
+tyCoBinderVar_maybe :: TyCoBinder -> Maybe TyCoVar
+tyCoBinderVar_maybe (Named tv) = Just $ binderVar tv
+tyCoBinderVar_maybe _          = Nothing
+
+tyCoBinderType :: TyCoBinder -> Type
 -- Barely used
-tyBinderType (Named tvb) = binderKind tvb
+tyCoBinderType (Named tvb) = binderType tvb
+tyCoBinderType (Anon ty)   = ty
+
+tyBinderType :: TyBinder -> Type
+tyBinderType (Named (Bndr tv _))
+  = ASSERT( isTyVar tv )
+    tyVarKind tv
 tyBinderType (Anon ty)   = ty
 
 -- | Extract a relevant type, if there is one.
-binderRelevantType_maybe :: TyBinder -> Maybe Type
+binderRelevantType_maybe :: TyCoBinder -> Maybe Type
 binderRelevantType_maybe (Named {}) = Nothing
 binderRelevantType_maybe (Anon ty)  = Just ty
 
 -- | Like 'maybe', but for binders.
-caseBinder :: TyBinder           -- ^ binder to scrutinize
-           -> (TyVarBinder -> a) -- ^ named case
-           -> (Type -> a)        -- ^ anonymous case
+caseBinder :: TyCoBinder           -- ^ binder to scrutinize
+           -> (TyCoVarBinder -> a) -- ^ named case
+           -> (Type -> a)          -- ^ anonymous case
            -> a
 caseBinder (Named v) f _ = f v
 caseBinder (Anon t)  _ d = d t
@@ -1524,6 +1695,36 @@ caseBinder (Anon t)  _ d = d t
 
 Predicates on PredType
 
+Note [Types for coercions, predicates, and evidence]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We treat differently:
+
+  (a) Predicate types
+        Test: isPredTy
+        Binders: DictIds
+        Kind: Constraint
+        Examples: (Eq a), and (a ~ b)
+
+  (b) Coercion types are primitive, unboxed equalities
+        Test: isCoVarTy
+        Binders: CoVars (can appear in coercions)
+        Kind: TYPE (TupleRep [])
+        Examples: (t1 ~# t2) or (t1 ~R# t2)
+
+  (c) Evidence types is the type of evidence manipulated by
+      the type constraint solver.
+        Test: isEvVarType
+        Binders: EvVars
+        Kind: Constraint or TYPE (TupleRep [])
+        Examples: all coercion types and predicate types
+
+Coercion types and predicate types are mutually exclusive,
+but evidence types are a superset of both.
+
+When treated as a user type, predicates are invisible and are
+implicitly instantiated; but coercion types, and non-pred evidence
+types, are just regular old types.
+
 Note [isPredTy complications]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 You would think that we could define
@@ -1544,18 +1745,104 @@ But there are a number of complications:
   print it as such. But that means that isPredTy must return True for
   (C a => C [a]).  Admittedly that type is illegal in Haskell, but we
   want to print it nicely in error messages.
+
+Note [Evidence for quantified constraints]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+The superclass mechanism in TcCanonical.makeSuperClasses risks
+taking a quantified constraint like
+   (forall a. C a => a ~ b)
+and generate superclass evidence
+   (forall a. C a => a ~# b)
+
+This is a funny thing: neither isPredTy nor isCoVarType are true
+of it.  So we are careful not to generate it in the first place:
+see Note [Equality superclasses in quantified constraints]
+in TcCanonical.
 -}
 
+-- | Split a type constructor application into its type constructor and
+-- applied types. Note that this may fail in the case of a 'FunTy' with an
+-- argument of unknown kind 'FunTy' (e.g. @FunTy (a :: k) Int@. since the kind
+-- of @a@ isn't of the form @TYPE rep@). Consequently, you may need to zonk your
+-- type before using this function.
+--
+-- If you only need the 'TyCon', consider using 'tcTyConAppTyCon_maybe'.
+tcSplitTyConApp_maybe :: HasCallStack => Type -> Maybe (TyCon, [Type])
+-- Defined here to avoid module loops between Unify and TcType.
+tcSplitTyConApp_maybe ty | Just ty' <- tcView ty = tcSplitTyConApp_maybe ty'
+tcSplitTyConApp_maybe ty                         = tcRepSplitTyConApp_maybe ty
+
+-- tcIsConstraintKind stuf only makes sense in the typechecker
+-- After that Constraint = Type
+-- See Note [coreView vs tcView]
+-- Defined here because it is used in isPredTy and tcRepSplitAppTy_maybe (sigh)
+tcIsConstraintKind :: Kind -> Bool
+tcIsConstraintKind ty
+  | Just (tc, args) <- tcSplitTyConApp_maybe ty    -- Note: tcSplit here
+  , isConstraintKindCon tc
+  = ASSERT2( null args, ppr ty ) True
+
+  | otherwise
+  = False
+
+-- | Is this kind equivalent to @*@?
+--
+-- This considers 'Constraint' to be distinct from @*@. For a version that
+-- treats them as the same type, see 'isLiftedTypeKind'.
+tcIsLiftedTypeKind :: Kind -> Bool
+tcIsLiftedTypeKind ty
+  | Just (type_tc, [arg]) <- tcSplitTyConApp_maybe ty
+  , type_tc `hasKey` tYPETyConKey
+  , Just (lifted_rep_tc, args) <- tcSplitTyConApp_maybe arg
+  , lifted_rep_tc `hasKey` liftedRepDataConKey
+  = ASSERT2( null args, ppr ty ) True
+  | otherwise
+  = False
+
+tcReturnsConstraintKind :: Kind -> Bool
+-- True <=> the Kind ultimately returns a Constraint
+--   E.g.  * -> Constraint
+--         forall k. k -> Constraint
+tcReturnsConstraintKind kind
+  | Just kind' <- tcView kind = tcReturnsConstraintKind kind'
+tcReturnsConstraintKind (ForAllTy _ ty) = tcReturnsConstraintKind ty
+tcReturnsConstraintKind (FunTy    _ ty) = tcReturnsConstraintKind ty
+tcReturnsConstraintKind (TyConApp tc _) = isConstraintKindCon tc
+tcReturnsConstraintKind _               = False
+
+isEvVarType :: Type -> Bool
+-- True of (a) predicates, of kind Constraint, such as (Eq a), and (a ~ b)
+--         (b) coercion types, such as (t1 ~# t2) or (t1 ~R# t2)
+-- See Note [Types for coercions, predicates, and evidence]
+-- See Note [Evidence for quantified constraints]
+isEvVarType ty = isCoVarType ty || isPredTy ty
+
+-- | Does this type classify a core (unlifted) Coercion?
+-- At either role nominal or representational
+--    (t1 ~# t2) or (t1 ~R# t2)
+-- See Note [Types for coercions, predicates, and evidence]
+isCoVarType :: Type -> Bool
+isCoVarType ty
+  | Just (tc,tys) <- splitTyConApp_maybe ty
+  , (tc `hasKey` eqPrimTyConKey) || (tc `hasKey` eqReprPrimTyConKey)
+  , tys `lengthIs` 4
+  = True
+isCoVarType _ = False
+
 -- | Is the type suitable to classify a given/wanted in the typechecker?
 isPredTy :: Type -> Bool
 -- See Note [isPredTy complications]
+-- NB: /not/ true of (t1 ~# t2) or (t1 ~R# t2)
+--     See Note [Types for coercions, predicates, and evidence]
 isPredTy ty = go ty []
   where
     go :: Type -> [KindOrType] -> Bool
+    -- Since we are looking at the kind,
+    -- no need to look through type synonyms
     go (AppTy ty1 ty2)   args       = go ty1 (ty2 : args)
     go (TyVarTy tv)      args       = go_k (tyVarKind tv) args
     go (TyConApp tc tys) args       = ASSERT( null args )  -- TyConApp invariant
-                                      go_tc tc tys
+                                      go_k (tyConKind tc) tys
     go (FunTy arg res) []
       | isPredTy arg                = isPredTy res   -- (Eq a => C a)
       | otherwise                   = False          -- (Int -> Bool)
@@ -1563,17 +1850,9 @@ isPredTy ty = go ty []
     go (CastTy _ co) args           = go_k (pSnd (coercionKind co)) args
     go _ _ = False
 
-    go_tc :: TyCon -> [KindOrType] -> Bool
-    go_tc tc args
-      | tc `hasKey` eqPrimTyConKey || tc `hasKey` eqReprPrimTyConKey
-                  = args `lengthIs` 4  -- ~# and ~R# sadly have result kind #
-                                       -- not Constraint; but we still want
-                                       -- isPredTy to reply True.
-      | otherwise = go_k (tyConKind tc) args
-
     go_k :: Kind -> [KindOrType] -> Bool
     -- True <=> ('k' applied to 'kts') = Constraint
-    go_k k [] = isConstraintKind k
+    go_k k [] = tcIsConstraintKind k
     go_k k (arg:args) = case piResultTy_maybe k arg of
                           Just k' -> go_k k' args
                           Nothing -> WARN( True, text "isPredTy" <+> ppr ty )
@@ -1748,20 +2027,36 @@ eqRelRole :: EqRel -> Role
 eqRelRole NomEq  = Nominal
 eqRelRole ReprEq = Representational
 
-data PredTree = ClassPred Class [Type]
-              | EqPred EqRel Type Type
-              | IrredPred PredType
+data PredTree
+  = ClassPred Class [Type]
+  | EqPred EqRel Type Type
+  | IrredPred PredType
+  | ForAllPred [TyCoVarBinder] [PredType] PredType
+     -- ForAllPred: see Note [Quantified constraints] in TcCanonical
+  -- NB: There is no TuplePred case
+  --     Tuple predicates like (Eq a, Ord b) are just treated
+  --     as ClassPred, as if we had a tuple class with two superclasses
+  --        class (c1, c2) => (%,%) c1 c2
 
 classifyPredType :: PredType -> PredTree
 classifyPredType ev_ty = case splitTyConApp_maybe ev_ty of
     Just (tc, [_, _, ty1, ty2])
-      | tc `hasKey` eqReprPrimTyConKey    -> EqPred ReprEq ty1 ty2
-      | tc `hasKey` eqPrimTyConKey        -> EqPred NomEq ty1 ty2
+      | tc `hasKey` eqReprPrimTyConKey -> EqPred ReprEq ty1 ty2
+      | tc `hasKey` eqPrimTyConKey     -> EqPred NomEq ty1 ty2
+
     Just (tc, tys)
-      | Just clas <- tyConClass_maybe tc  -> ClassPred clas tys
-    _                                     -> IrredPred ev_ty
+      | Just clas <- tyConClass_maybe tc
+      -> ClassPred clas tys
 
-getClassPredTys :: PredType -> (Class, [Type])
+    _ | (tvs, rho) <- splitForAllVarBndrs ev_ty
+      , (theta, pred) <- splitFunTys rho
+      , not (null tvs && null theta)
+      -> ForAllPred tvs theta pred
+
+      | otherwise
+      -> IrredPred ev_ty
+
+getClassPredTys :: HasDebugCallStack => PredType -> (Class, [Type])
 getClassPredTys ty = case getClassPredTys_maybe ty of
         Just (clas, tys) -> (clas, tys)
         Nothing          -> pprPanic "getClassPredTys" (ppr ty)
@@ -1815,6 +2110,11 @@ predTypeEqRel ty
 --
 -- This is a deterministic sorting operation
 -- (that is, doesn't depend on Uniques).
+--
+-- It is also meant to be stable: that is, variables should not
+-- be reordered unnecessarily. The implementation of this
+-- has been observed to be stable, though it is not proven to
+-- be so. See also Note [Ordering of implicit variables] in RnTypes
 toposortTyVars :: [TyCoVar] -> [TyCoVar]
 toposortTyVars tvs = reverse $
                      [ node_payload node | node <- topologicalSortG $
@@ -1894,7 +2194,6 @@ pprSourceTyCon tycon
   | otherwise
   = ppr tycon
 
--- @isTauTy@ tests if a type has no foralls
 isFamFreeTy :: Type -> Bool
 isFamFreeTy ty | Just ty' <- coreView ty = isFamFreeTy ty'
 isFamFreeTy (TyVarTy _)       = True
@@ -2068,7 +2367,39 @@ isValidJoinPointType arity ty
       | otherwise
       = False
 
-{-
+{- Note [Excess polymorphism and join points]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+In principle, if a function would be a join point except that it fails
+the polymorphism rule (see Note [The polymorphism rule of join points] in
+CoreSyn), it can still be made a join point with some effort. This is because
+all tail calls must return the same type (they return to the same context!), and
+thus if the return type depends on an argument, that argument must always be the
+same.
+
+For instance, consider:
+
+  let f :: forall a. a -> Char -> [a]
+      f @a x c = ... f @a y 'a' ...
+  in ... f @Int 1 'b' ... f @Int 2 'c' ...
+
+(where the calls are tail calls). `f` fails the polymorphism rule because its
+return type is [a], where [a] is bound. But since the type argument is always
+'Int', we can rewrite it as:
+
+  let f' :: Int -> Char -> [Int]
+      f' x c = ... f' y 'a' ...
+  in ... f' 1 'b' ... f 2 'c' ...
+
+and now we can make f' a join point:
+
+  join f' :: Int -> Char -> [Int]
+       f' x c = ... jump f' y 'a' ...
+  in ... jump f' 1 'b' ... jump f' 2 'c' ...
+
+It's not clear that this comes up often, however. TODO: Measure how often and
+add this analysis if necessary.  See Trac #14620.
+
+
 ************************************************************************
 *                                                                      *
 \subsection{Sequencing on types}
@@ -2082,7 +2413,7 @@ seqType (TyVarTy tv)                = tv `seq` ()
 seqType (AppTy t1 t2)               = seqType t1 `seq` seqType t2
 seqType (FunTy t1 t2)               = seqType t1 `seq` seqType t2
 seqType (TyConApp tc tys)           = tc `seq` seqTypes tys
-seqType (ForAllTy (TvBndr tv _) ty) = seqType (tyVarKind tv) `seq` seqType ty
+seqType (ForAllTy (Bndr tv _) ty)   = seqType (varType tv) `seq` seqType ty
 seqType (CastTy ty co)              = seqType ty `seq` seqCo co
 seqType (CoercionTy co)             = seqCo co
 
@@ -2143,7 +2474,7 @@ eqVarBndrs :: RnEnv2 -> [Var] -> [Var] -> Maybe RnEnv2
 eqVarBndrs env [] []
  = Just env
 eqVarBndrs env (tv1:tvs1) (tv2:tvs2)
- | eqTypeX env (tyVarKind tv1) (tyVarKind tv2)
+ | eqTypeX env (varType tv1) (varType tv2)
  = eqVarBndrs (rnBndr2 env tv1 tv2) tvs1 tvs2
 eqVarBndrs _ _ _= Nothing
 
@@ -2223,8 +2554,8 @@ nonDetCmpTypeX env orig_t1 orig_t2 =
 
     go env (TyVarTy tv1)       (TyVarTy tv2)
       = liftOrdering $ rnOccL env tv1 `nonDetCmpVar` rnOccR env tv2
-    go env (ForAllTy (TvBndr tv1 _) t1) (ForAllTy (TvBndr tv2 _) t2)
-      = go env (tyVarKind tv1) (tyVarKind tv2)
+    go env (ForAllTy (Bndr tv1 _) t1) (ForAllTy (Bndr tv2 _) t2)
+      = go env (varType tv1) (varType tv2)
         `thenCmpTy` go (rnBndr2 env tv1 tv2) t1 t2
         -- See Note [Equality on AppTys]
     go env (AppTy s1 t1) ty2
@@ -2267,18 +2598,20 @@ nonDetCmpTypeX env orig_t1 orig_t2 =
 nonDetCmpTypesX :: RnEnv2 -> [Type] -> [Type] -> Ordering
 nonDetCmpTypesX _   []        []        = EQ
 nonDetCmpTypesX env (t1:tys1) (t2:tys2) = nonDetCmpTypeX env t1 t2
-                                      `thenCmp` nonDetCmpTypesX env tys1 tys2
+                                          `thenCmp`
+                                          nonDetCmpTypesX env tys1 tys2
 nonDetCmpTypesX _   []        _         = LT
 nonDetCmpTypesX _   _         []        = GT
 
 -------------
--- | Compare two 'TyCon's. NB: This should /never/ see the "star synonyms",
--- as recognized by Kind.isStarKindSynonymTyCon. See Note
--- [Kind Constraint and kind *] in Kind.
+-- | Compare two 'TyCon's. NB: This should /never/ see 'Constraint' (as
+-- recognized by Kind.isConstraintKindCon) which is considered a synonym for
+-- 'Type' in Core.
+-- See Note [Kind Constraint and kind Type] in Kind.
 -- See Note [nonDetCmpType nondeterminism]
 nonDetCmpTc :: TyCon -> TyCon -> Ordering
 nonDetCmpTc tc1 tc2
-  = ASSERT( not (isStarKindSynonymTyCon tc1) && not (isStarKindSynonymTyCon tc2) )
+  = ASSERT( not (isConstraintKindCon tc1) && not (isConstraintKindCon tc2) )
     u1 `nonDetCmpUnique` u2
   where
     u1  = tyConUnique tc1
@@ -2293,15 +2626,33 @@ nonDetCmpTc tc1 tc2
 -}
 
 typeKind :: HasDebugCallStack => Type -> Kind
-typeKind (TyConApp tc tys)     = piResultTys (tyConKind tc) tys
-typeKind (AppTy fun arg)       = piResultTy (typeKind fun) arg
-typeKind (LitTy l)             = typeLiteralKind l
-typeKind (FunTy {})            = liftedTypeKind
-typeKind (ForAllTy _ ty)       = typeKind ty
-typeKind (TyVarTy tyvar)       = tyVarKind tyvar
-typeKind (CastTy _ty co)       = pSnd $ coercionKind co
-typeKind (CoercionTy co)       = coercionType co
-
+typeKind (TyConApp tc tys) = piResultTys (tyConKind tc) tys
+typeKind (AppTy fun arg)   = typeKind_apps fun [arg]
+typeKind (LitTy l)         = typeLiteralKind l
+typeKind (FunTy {})        = liftedTypeKind
+typeKind (TyVarTy tyvar)   = tyVarKind tyvar
+typeKind (CastTy _ty co)   = pSnd $ coercionKind co
+typeKind (CoercionTy co)   = coercionType co
+typeKind ty@(ForAllTy (Bndr tv _) _)
+  | isTyVar tv                     -- See Note [Weird typing rule for ForAllTy].
+  = case occCheckExpand tvs k of   -- We must make sure tv does not occur in kind
+      Just k' -> k'                -- As it is already out of scope!
+      Nothing -> pprPanic "typeKind"
+                  (ppr ty $$ ppr k $$ ppr tvs $$ ppr body)
+  where
+    (tvs, body) = splitTyVarForAllTys ty
+    k           = typeKind body
+typeKind (ForAllTy {})     = liftedTypeKind
+
+typeKind_apps :: HasDebugCallStack => Type -> [Type] -> Kind
+-- The sole purpose of the function is to accumulate
+-- the type arugments, so we can call piResultTys, rather than
+-- a succession of calls to piResultTy (which is asymptotically
+-- less efficient as the number of arguments increases)
+typeKind_apps (AppTy fun arg) args = typeKind_apps fun (arg:args)
+typeKind_apps fun             args = piResultTys (typeKind fun) args
+
+--------------------------
 typeLiteralKind :: TyLit -> Kind
 typeLiteralKind l =
   case l of
@@ -2332,6 +2683,160 @@ isTypeLevPoly = go
 resultIsLevPoly :: Type -> Bool
 resultIsLevPoly = isTypeLevPoly . snd . splitPiTys
 
+
+{- **********************************************************************
+*                                                                       *
+           Occurs check expansion
+%*                                                                      *
+%********************************************************************* -}
+
+{- Note [Occurs check expansion]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+(occurCheckExpand tv xi) expands synonyms in xi just enough to get rid
+of occurrences of tv outside type function arguments, if that is
+possible; otherwise, it returns Nothing.
+
+For example, suppose we have
+  type F a b = [a]
+Then
+  occCheckExpand b (F Int b) = Just [Int]
+but
+  occCheckExpand a (F a Int) = Nothing
+
+We don't promise to do the absolute minimum amount of expanding
+necessary, but we try not to do expansions we don't need to.  We
+prefer doing inner expansions first.  For example,
+  type F a b = (a, Int, a, [a])
+  type G b   = Char
+We have
+  occCheckExpand b (F (G b)) = Just (F Char)
+even though we could also expand F to get rid of b.
+-}
+
+occCheckExpand :: [Var] -> Type -> Maybe Type
+-- See Note [Occurs check expansion]
+-- We may have needed to do some type synonym unfolding in order to
+-- get rid of the variable (or forall), so we also return the unfolded
+-- version of the type, which is guaranteed to be syntactically free
+-- of the given type variable.  If the type is already syntactically
+-- free of the variable, then the same type is returned.
+occCheckExpand vs_to_avoid ty
+  = go (mkVarSet vs_to_avoid, emptyVarEnv) ty
+  where
+    go :: (VarSet, VarEnv TyCoVar) -> Type -> Maybe Type
+          -- The VarSet is the set of variables we are trying to avoid
+          -- The VarEnv carries mappings necessary
+          -- because of kind expansion
+    go cxt@(as, env) (TyVarTy tv')
+      | tv' `elemVarSet` as               = Nothing
+      | Just tv'' <- lookupVarEnv env tv' = return (mkTyVarTy tv'')
+      | otherwise                         = do { tv'' <- go_var cxt tv'
+                                               ; return (mkTyVarTy tv'') }
+
+    go _   ty@(LitTy {}) = return ty
+    go cxt (AppTy ty1 ty2) = do { ty1' <- go cxt ty1
+                                ; ty2' <- go cxt ty2
+                                ; return (mkAppTy ty1' ty2') }
+    go cxt (FunTy ty1 ty2) = do { ty1' <- go cxt ty1
+                                ; ty2' <- go cxt ty2
+                                ; return (mkFunTy ty1' ty2') }
+    go cxt@(as, env) (ForAllTy (Bndr tv vis) body_ty)
+       = do { ki' <- go cxt (varType tv)
+            ; let tv' = setVarType tv ki'
+                  env' = extendVarEnv env tv tv'
+                  as'  = as `delVarSet` tv
+            ; body' <- go (as', env') body_ty
+            ; return (ForAllTy (Bndr tv' vis) body') }
+
+    -- For a type constructor application, first try expanding away the
+    -- offending variable from the arguments.  If that doesn't work, next
+    -- see if the type constructor is a type synonym, and if so, expand
+    -- it and try again.
+    go cxt ty@(TyConApp tc tys)
+      = case mapM (go cxt) tys of
+          Just tys' -> return (mkTyConApp tc tys')
+          Nothing | Just ty' <- tcView ty -> go cxt ty'
+                  | otherwise             -> Nothing
+                      -- Failing that, try to expand a synonym
+
+    go cxt (CastTy ty co) =  do { ty' <- go cxt ty
+                                ; co' <- go_co cxt co
+                                ; return (mkCastTy ty' co') }
+    go cxt (CoercionTy co) = do { co' <- go_co cxt co
+                                ; return (mkCoercionTy co') }
+
+    ------------------
+    go_var cxt v = do { k' <- go cxt (varType v)
+                      ; return (setVarType v k') }
+           -- Works for TyVar and CoVar
+           -- See Note [Occurrence checking: look inside kinds]
+
+    ------------------
+    go_mco _   MRefl = return MRefl
+    go_mco ctx (MCo co) = MCo <$> go_co ctx co
+
+    ------------------
+    go_co cxt (Refl ty)                 = do { ty' <- go cxt ty
+                                             ; return (mkNomReflCo ty') }
+    go_co cxt (GRefl r ty mco)          = do { mco' <- go_mco cxt mco
+                                             ; ty' <- go cxt ty
+                                             ; return (mkGReflCo r ty' mco') }
+      -- Note: Coercions do not contain type synonyms
+    go_co cxt (TyConAppCo r tc args)    = do { args' <- mapM (go_co cxt) args
+                                             ; return (mkTyConAppCo r tc args') }
+    go_co cxt (AppCo co arg)            = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; arg' <- go_co cxt arg
+                                             ; return (mkAppCo co' arg') }
+    go_co cxt@(as, env) (ForAllCo tv kind_co body_co)
+      = do { kind_co' <- go_co cxt kind_co
+           ; let tv' = setVarType tv $
+                       pFst (coercionKind kind_co')
+                 env' = extendVarEnv env tv tv'
+                 as'  = as `delVarSet` tv
+           ; body' <- go_co (as', env') body_co
+           ; return (ForAllCo tv' kind_co' body') }
+    go_co cxt (FunCo r co1 co2)         = do { co1' <- go_co cxt co1
+                                             ; co2' <- go_co cxt co2
+                                             ; return (mkFunCo r co1' co2') }
+    go_co cxt@(as,env) (CoVarCo c)
+      | c `elemVarSet` as               = Nothing
+      | Just c' <- lookupVarEnv env c   = return (mkCoVarCo c')
+      | otherwise                       = do { c' <- go_var cxt c
+                                             ; return (mkCoVarCo c') }
+    go_co cxt (HoleCo h)                = do { c' <- go_var cxt (ch_co_var h)
+                                             ; return (HoleCo (h { ch_co_var = c' })) }
+    go_co cxt (AxiomInstCo ax ind args) = do { args' <- mapM (go_co cxt) args
+                                             ; return (mkAxiomInstCo ax ind args') }
+    go_co cxt (UnivCo p r ty1 ty2)      = do { p' <- go_prov cxt p
+                                             ; ty1' <- go cxt ty1
+                                             ; ty2' <- go cxt ty2
+                                             ; return (mkUnivCo p' r ty1' ty2') }
+    go_co cxt (SymCo co)                = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; return (mkSymCo co') }
+    go_co cxt (TransCo co1 co2)         = do { co1' <- go_co cxt co1
+                                             ; co2' <- go_co cxt co2
+                                             ; return (mkTransCo co1' co2') }
+    go_co cxt (NthCo r n co)            = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; return (mkNthCo r n co') }
+    go_co cxt (LRCo lr co)              = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; return (mkLRCo lr co') }
+    go_co cxt (InstCo co arg)           = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; arg' <- go_co cxt arg
+                                             ; return (mkInstCo co' arg') }
+    go_co cxt (KindCo co)               = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; return (mkKindCo co') }
+    go_co cxt (SubCo co)                = do { co' <- go_co cxt co
+                                             ; return (mkSubCo co') }
+    go_co cxt (AxiomRuleCo ax cs)       = do { cs' <- mapM (go_co cxt) cs
+                                             ; return (mkAxiomRuleCo ax cs') }
+
+    ------------------
+    go_prov _   UnsafeCoerceProv    = return UnsafeCoerceProv
+    go_prov cxt (PhantomProv co)    = PhantomProv <$> go_co cxt co
+    go_prov cxt (ProofIrrelProv co) = ProofIrrelProv <$> go_co cxt co
+    go_prov _   p@(PluginProv _)    = return p
+
+
 {-
 %************************************************************************
 %*                                                                      *
@@ -2354,11 +2859,12 @@ tyConsOfType ty
      go (TyConApp tc tys)           = go_tc tc `unionUniqSets` go_s tys
      go (AppTy a b)                 = go a `unionUniqSets` go b
      go (FunTy a b)                 = go a `unionUniqSets` go b `unionUniqSets` go_tc funTyCon
-     go (ForAllTy (TvBndr tv _) ty) = go ty `unionUniqSets` go (tyVarKind tv)
+     go (ForAllTy (Bndr tv _) ty)   = go ty `unionUniqSets` go (varType tv)
      go (CastTy ty co)              = go ty `unionUniqSets` go_co co
      go (CoercionTy co)             = go_co co
 
-     go_co (Refl _ ty)             = go ty
+     go_co (Refl ty)               = go ty
+     go_co (GRefl _ ty mco)        = go ty `unionUniqSets` go_mco mco
      go_co (TyConAppCo _ tc args)  = go_tc tc `unionUniqSets` go_cos args
      go_co (AppCo co arg)          = go_co co `unionUniqSets` go_co arg
      go_co (ForAllCo _ kind_co co) = go_co kind_co `unionUniqSets` go_co co
@@ -2366,21 +2872,23 @@ tyConsOfType ty
      go_co (AxiomInstCo ax _ args) = go_ax ax `unionUniqSets` go_cos args
      go_co (UnivCo p _ t1 t2)      = go_prov p `unionUniqSets` go t1 `unionUniqSets` go t2
      go_co (CoVarCo {})            = emptyUniqSet
+     go_co (HoleCo {})             = emptyUniqSet
      go_co (SymCo co)              = go_co co
      go_co (TransCo co1 co2)       = go_co co1 `unionUniqSets` go_co co2
-     go_co (NthCo _ co)            = go_co co
+     go_co (NthCo _ _ co)          = go_co co
      go_co (LRCo _ co)             = go_co co
      go_co (InstCo co arg)         = go_co co `unionUniqSets` go_co arg
-     go_co (CoherenceCo co1 co2)   = go_co co1 `unionUniqSets` go_co co2
      go_co (KindCo co)             = go_co co
      go_co (SubCo co)              = go_co co
      go_co (AxiomRuleCo _ cs)      = go_cos cs
 
+     go_mco MRefl    = emptyUniqSet
+     go_mco (MCo co) = go_co co
+
      go_prov UnsafeCoerceProv    = emptyUniqSet
      go_prov (PhantomProv co)    = go_co co
      go_prov (ProofIrrelProv co) = go_co co
      go_prov (PluginProv _)      = emptyUniqSet
-     go_prov (HoleProv _)        = emptyUniqSet
         -- this last case can happen from the tyConsOfType used from
         -- checkTauTvUpdate
 
@@ -2410,16 +2918,16 @@ splitVisVarsOfType orig_ty = Pair invis_vars vis_vars
     go (AppTy t1 t2)     = go t1 `mappend` go t2
     go (TyConApp tc tys) = go_tc tc tys
     go (FunTy t1 t2)     = go t1 `mappend` go t2
-    go (ForAllTy (TvBndr tv _) ty)
+    go (ForAllTy (Bndr tv _) ty)
       = ((`delVarSet` tv) <$> go ty) `mappend`
-        (invisible (tyCoVarsOfType $ tyVarKind tv))
+        (invisible (tyCoVarsOfType $ varType tv))
     go (LitTy {}) = mempty
     go (CastTy ty co) = go ty `mappend` invisible (tyCoVarsOfCo co)
     go (CoercionTy co) = invisible $ tyCoVarsOfCo co
 
     invisible vs = Pair vs emptyVarSet
 
-    go_tc tc tys = let (invis, vis) = partitionInvisibles tc id tys in
+    go_tc tc tys = let (invis, vis) = partitionInvisibleTypes tc tys in
                    invisible (tyCoVarsOfTypes invis) `mappend` foldMap go vis
 
 splitVisVarsOfTypes :: [Type] -> Pair TyCoVarSet
@@ -2436,7 +2944,7 @@ modifyJoinResTy orig_ar f orig_ty
   where
     go 0 ty = f ty
     go n ty | Just (arg_bndr, res_ty) <- splitPiTy_maybe ty
-            = mkPiTy arg_bndr (go (n-1) res_ty)
+            = mkTyCoPiTy arg_bndr (go (n-1) res_ty)
             | otherwise
             = pprPanic "modifyJoinResTy" (ppr orig_ar <+> ppr orig_ty)
 
@@ -2447,3 +2955,20 @@ setJoinResTy :: Int  -- Number of binders to skip
 -- INVARIANT: Same as for modifyJoinResTy
 setJoinResTy ar new_res_ty ty
   = modifyJoinResTy ar (const new_res_ty) ty
+
+{-
+%************************************************************************
+%*                                                                      *
+         Pretty-printing
+%*                                                                      *
+%************************************************************************
+
+Most pretty-printing is either in TyCoRep or IfaceType.
+
+-}
+
+-- | This variant preserves any use of TYPE in a type, effectively
+-- locally setting -fprint-explicit-runtime-reps.
+pprWithTYPE :: Type -> SDoc
+pprWithTYPE ty = updSDocDynFlags (flip gopt_set Opt_PrintExplicitRuntimeReps) $
+                 ppr ty