Fix solving of implicit parameter constraints
[ghc.git] / compiler / typecheck / TcSMonad.hs
index 8c0d2f9..8cfb88c 100644 (file)
@@ -6,16 +6,19 @@ module TcSMonad (
     -- The work list
     WorkList(..), isEmptyWorkList, emptyWorkList,
     extendWorkListNonEq, extendWorkListCt, extendWorkListDerived,
-    extendWorkListCts, appendWorkList,
+    extendWorkListCts, extendWorkListEq, extendWorkListFunEq,
+    appendWorkList, extendWorkListImplic,
     selectNextWorkItem,
     workListSize, workListWantedCount,
-    updWorkListTcS,
+    getWorkList, updWorkListTcS,
 
     -- The TcS monad
-    TcS, runTcS, runTcSWithEvBinds,
-    failTcS, tryTcS, nestTcS, nestImplicTcS, recoverTcS,
+    TcS, runTcS, runTcSDeriveds, runTcSWithEvBinds,
+    failTcS, warnTcS, addErrTcS,
+    runTcSEqualities,
+    nestTcS, nestImplicTcS, setEvBindsTcS, buildImplication,
 
-    runTcPluginTcS, addUsedRdrNamesTcS, deferTcSForAllEq,
+    runTcPluginTcS, addUsedGRE, addUsedGREs,
 
     -- Tracing etc
     panicTcS, traceTcS,
@@ -23,45 +26,54 @@ module TcSMonad (
     wrapErrTcS, wrapWarnTcS,
 
     -- Evidence creation and transformation
-    Freshness(..), freshGoals, isFresh,
+    MaybeNew(..), freshGoals, isFresh, getEvTerm,
 
-    newTcEvBinds, newWantedEvVar, newWantedEvVarNC,
+    newTcEvBinds,
+    newWantedEq, emitNewWantedEq,
+    newWanted, newWantedEvVar, newWantedNC, newWantedEvVarNC, newDerivedNC,
+    newBoundEvVarId,
     unifyTyVar, unflattenFmv, reportUnifications,
-    setEvBind, setWantedEvBind, setEvBindIfWanted,
+    setEvBind, setWantedEq, setEqIfWanted,
+    setWantedEvTerm, setWantedEvBind, setEvBindIfWanted,
     newEvVar, newGivenEvVar, newGivenEvVars,
     emitNewDerived, emitNewDeriveds, emitNewDerivedEq,
     checkReductionDepth,
 
     getInstEnvs, getFamInstEnvs,                -- Getting the environments
-    getTopEnv, getGblEnv, getLclEnv, getTcEvBinds, getTcLevel,
-    getTcEvBindsMap,
+    getTopEnv, getGblEnv, getLclEnv,
+    getTcEvBindsVar, getTcLevel,
+    getTcEvBindsAndTCVs, getTcEvBindsMap,
     tcLookupClass,
+    tcLookupId,
 
     -- Inerts
     InertSet(..), InertCans(..),
     updInertTcS, updInertCans, updInertDicts, updInertIrreds,
     getNoGivenEqs, setInertCans,
-    getInertEqs, getInertCans, getInertModel, getInertGivens,
-    emptyInert, getTcSInerts, setTcSInerts, takeGivenInsolubles,
+    getInertEqs, getInertCans, getInertGivens,
+    getInertInsols,
+    getTcSInerts, setTcSInerts,
     matchableGivens, prohibitedSuperClassSolve,
     getUnsolvedInerts,
-    removeInertCts,
+    removeInertCts, getPendingScDicts,
     addInertCan, addInertEq, insertFunEq,
-    emitInsoluble, emitWorkNC, emitWorkCt,
+    emitInsoluble, emitWorkNC, emitWork,
+    isImprovable,
 
     -- The Model
-    InertModel, kickOutAfterUnification,
+    kickOutAfterUnification,
 
     -- Inert Safe Haskell safe-overlap failures
     addInertSafehask, insertSafeOverlapFailureTcS, updInertSafehask,
     getSafeOverlapFailures,
 
     -- Inert CDictCans
-    lookupInertDict, findDictsByClass, addDict, addDictsByClass,
-    delDict, partitionDicts, foldDicts, filterDicts,
+    DictMap, emptyDictMap, lookupInertDict, findDictsByClass, addDict,
+    addDictsByClass, delDict, foldDicts, filterDicts, findDict,
 
     -- Inert CTyEqCans
     EqualCtList, findTyEqs, foldTyEqs, isInInertEqs,
+    lookupFlattenTyVar, lookupInertTyVar,
 
     -- Inert solved dictionaries
     addSolvedDict, lookupSolvedDict,
@@ -73,18 +85,21 @@ module TcSMonad (
     lookupFlatCache, extendFlatCache, newFlattenSkolem,            -- Flatten skolems
 
     -- Inert CFunEqCans
-    updInertFunEqs, findFunEq, sizeFunEqMap, filterFunEqs,
-    findFunEqsByTyCon, findFunEqs, partitionFunEqs, foldFunEqs,
+    updInertFunEqs, findFunEq,
+    findFunEqsByTyCon,
 
     instDFunType,                              -- Instantiation
 
     -- MetaTyVars
-    newFlexiTcSTy, instFlexiTcS, instFlexiTcSHelperTcS,
+    newFlexiTcSTy, instFlexi, instFlexiX,
     cloneMetaTyVar, demoteUnfilledFmv,
+    tcInstType, tcInstSkolTyVarsX,
 
     TcLevel, isTouchableMetaTyVarTcS,
     isFilledMetaTyVar_maybe, isFilledMetaTyVar,
-    zonkTyVarsAndFV, zonkTcType, zonkTcTypes, zonkTcTyVar, zonkSimples, zonkWC,
+    zonkTyCoVarsAndFV, zonkTcType, zonkTcTypes, zonkTcTyVar, zonkCo,
+    zonkTyCoVarsAndFVList,
+    zonkSimples, zonkWC,
 
     -- References
     newTcRef, readTcRef, updTcRef,
@@ -102,6 +117,8 @@ module TcSMonad (
 
 #include "HsVersions.h"
 
+import GhcPrelude
+
 import HscTypes
 
 import qualified Inst as TcM
@@ -112,11 +129,13 @@ import FamInstEnv
 import qualified TcRnMonad as TcM
 import qualified TcMType as TcM
 import qualified TcEnv as TcM
-       ( checkWellStaged, topIdLvl, tcGetDefaultTys, tcLookupClass )
+       ( checkWellStaged, topIdLvl, tcGetDefaultTys, tcLookupClass, tcLookupId )
+import PrelNames( heqTyConKey, eqTyConKey )
 import Kind
 import TcType
 import DynFlags
 import Type
+import Coercion
 import Unify
 
 import TcEvidence
@@ -125,31 +144,32 @@ import TyCon
 import TcErrors   ( solverDepthErrorTcS )
 
 import Name
-import RdrName (RdrName, GlobalRdrEnv)
-import RnEnv (addUsedRdrNames)
+import RdrName ( GlobalRdrEnv, GlobalRdrElt )
+import qualified RnEnv as TcM
 import Var
 import VarEnv
 import VarSet
 import Outputable
 import Bag
 import UniqSupply
-import FastString
 import Util
 import TcRnTypes
 
 import Unique
 import UniqFM
-import Maybes ( orElse, firstJusts )
+import UniqDFM
+import Maybes
 
 import TrieMap
-import Control.Arrow ( first )
-import Control.Monad( ap, when, unless, MonadPlus(..) )
+import Control.Monad
+import qualified Control.Monad.Fail as MonadFail
 import MonadUtils
 import Data.IORef
 import Data.List ( foldl', partition )
 
-#ifdef DEBUG
+#if defined(DEBUG)
 import Digraph
+import UniqSet
 #endif
 
 {-
@@ -180,15 +200,37 @@ We can often solve all goals without processing *any* derived constraints.
 The derived constraints are just there to help us if we get stuck.  So
 we keep them in a separate list.
 
+Note [Prioritise class equalities]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We prioritise equalities in the solver (see selectWorkItem). But class
+constraints like (a ~ b) and (a ~~ b) are actually equalities too;
+see Note [The equality types story] in TysPrim.
+
+Failing to prioritise these is inefficient (more kick-outs etc).
+But, worse, it can prevent us spotting a "recursive knot" among
+Wanted constraints.  See comment:10 of Trac #12734 for a worked-out
+example.
+
+So we arrange to put these particular class constraints in the wl_eqs.
+
+  NB: since we do not currently apply the substitution to the
+  inert_solved_dicts, the knot-tying still seems a bit fragile.
+  But this makes it better.
 -}
 
 -- See Note [WorkList priorities]
 data WorkList
-  = WL { wl_eqs     :: [Ct]
+  = WL { wl_eqs     :: [Ct]  -- Both equality constraints and their
+                             -- class-level variants (a~b) and (a~~b);
+                             -- See Note [Prioritise class equalities]
+
        , wl_funeqs  :: [Ct]  -- LIFO stack of goals
+
        , wl_rest    :: [Ct]
+
        , wl_deriv   :: [CtEvidence]  -- Implicitly non-canonical
                                      -- See Note [Process derived items last]
+
        , wl_implics :: Bag Implication  -- See Note [Residual implications]
     }
 
@@ -233,22 +275,28 @@ extendWorkListDerived loc ev wl
 extendWorkListDeriveds :: CtLoc -> [CtEvidence] -> WorkList -> WorkList
 extendWorkListDeriveds loc evs wl
   | isDroppableDerivedLoc loc = wl { wl_deriv = evs ++ wl_deriv wl }
-  | otherwise                  = extendWorkListEqs (map mkNonCanonical evs) wl
+  | otherwise                 = extendWorkListEqs (map mkNonCanonical evs) wl
 
-extendWorkListImplic :: Implication -> WorkList -> WorkList
-extendWorkListImplic implic wl = wl { wl_implics = implic `consBag` wl_implics wl }
+extendWorkListImplic :: Bag Implication -> WorkList -> WorkList
+extendWorkListImplic implics wl = wl { wl_implics = implics `unionBags` wl_implics wl }
 
 extendWorkListCt :: Ct -> WorkList -> WorkList
 -- Agnostic
 extendWorkListCt ct wl
  = case classifyPredType (ctPred ct) of
      EqPred NomEq ty1 _
-       | Just (tc,_) <- tcSplitTyConApp_maybe ty1
+       | Just tc <- tcTyConAppTyCon_maybe ty1
        , isTypeFamilyTyCon tc
        -> extendWorkListFunEq ct wl
+
      EqPred {}
        -> extendWorkListEq ct wl
 
+     ClassPred cls _  -- See Note [Prioritise class equalities]
+       |  cls `hasKey` heqTyConKey
+       || cls `hasKey` eqTyConKey
+       -> extendWorkListEq ct wl
+
      _ -> extendWorkListNonEq ct wl
 
 extendWorkListCts :: [Ct] -> WorkList -> WorkList
@@ -272,6 +320,10 @@ selectWorkItem wl@(WL { wl_eqs = eqs, wl_funeqs = feqs
   | ct:cts <- rest = Just (ct, wl { wl_rest   = cts })
   | otherwise      = Nothing
 
+getWorkList :: TcS WorkList
+getWorkList = do { wl_var <- getTcSWorkListRef
+                 ; wrapTcS (TcM.readTcRef wl_var) }
+
 selectDerivedWorkItem  :: WorkList -> Maybe (Ct, WorkList)
 selectDerivedWorkItem wl@(WL { wl_deriv = ders })
   | ev:evs <- ders = Just (mkNonCanonical ev, wl { wl_deriv  = evs })
@@ -304,15 +356,16 @@ instance Outputable WorkList where
           , wl_rest = rest, wl_implics = implics, wl_deriv = ders })
    = text "WL" <+> (braces $
      vcat [ ppUnless (null eqs) $
-            ptext (sLit "Eqs =") <+> vcat (map ppr eqs)
+            text "Eqs =" <+> vcat (map ppr eqs)
           , ppUnless (null feqs) $
-            ptext (sLit "Funeqs =") <+> vcat (map ppr feqs)
+            text "Funeqs =" <+> vcat (map ppr feqs)
           , ppUnless (null rest) $
-            ptext (sLit "Non-eqs =") <+> vcat (map ppr rest)
+            text "Non-eqs =" <+> vcat (map ppr rest)
           , ppUnless (null ders) $
-            ptext (sLit "Derived =") <+> vcat (map ppr ders)
+            text "Derived =" <+> vcat (map ppr ders)
           , ppUnless (isEmptyBag implics) $
-            ptext (sLit "Implics =") <+> vcat (map ppr (bagToList implics))
+            ifPprDebug (text "Implics =" <+> vcat (map ppr (bagToList implics)))
+                       (text "(Implics omitted)")
           ])
 
 
@@ -325,13 +378,24 @@ instance Outputable WorkList where
 
 data InertSet
   = IS { inert_cans :: InertCans
-              -- Canonical Given, Wanted, Derived (no Solved)
+              -- Canonical Given, Wanted, Derived
               -- Sometimes called "the inert set"
 
-       , inert_flat_cache :: FunEqMap (TcCoercion, TcType, CtFlavour)
+       , inert_fsks :: [(TcTyVar, TcType)]
+              -- A list of (fsk, ty) pairs; we add one element when we flatten
+              -- a function application in a Given constraint, creating
+              -- a new fsk in newFlattenSkolem.  When leaving a nested scope,
+              -- unflattenGivens unifies fsk := ty
+              --
+              -- We could also get this info from inert_funeqs, filtered by
+              -- level, but it seems simpler and more direct to capture the
+              -- fsk as we generate them.
+
+       , inert_flat_cache :: ExactFunEqMap (TcCoercion, TcType, CtFlavour)
               -- See Note [Type family equations]
-              -- If    F tys :-> (co, ty, ev),
-              -- then  co :: F tys ~ ty
+              -- If    F tys :-> (co, rhs, flav),
+              -- then  co :: F tys ~ rhs
+              --       flav is [G] or [WD]
               --
               -- Just a hash-cons cache for use when flattening only
               -- These include entirely un-processed goals, so don't use
@@ -340,6 +404,8 @@ data InertSet
               -- when allocating a new flatten-skolem.
               -- Not necessarily inert wrt top-level equations (or inert_cans)
 
+              -- NB: An ExactFunEqMap -- this doesn't match via loose types!
+
        , inert_solved_dicts   :: DictMap CtEvidence
               -- Of form ev :: C t1 .. tn
               -- See Note [Solved dictionaries]
@@ -348,30 +414,33 @@ data InertSet
 
 instance Outputable InertSet where
   ppr is = vcat [ ppr $ inert_cans is
-                , text "Solved dicts" <+> vcat (map ppr (bagToList (dictsToBag (inert_solved_dicts is)))) ]
+                , ppUnless (null dicts) $
+                  text "Solved dicts" <+> vcat (map ppr dicts) ]
+         where
+           dicts = bagToList (dictsToBag (inert_solved_dicts is))
 
 emptyInert :: InertSet
 emptyInert
   = IS { inert_cans = IC { inert_count    = 0
-                         , inert_eqs      = emptyVarEnv
+                         , inert_eqs      = emptyDVarEnv
                          , inert_dicts    = emptyDicts
                          , inert_safehask = emptyDicts
                          , inert_funeqs   = emptyFunEqs
                          , inert_irreds   = emptyCts
-                         , inert_insols   = emptyCts
-                         , inert_model    = emptyVarEnv }
-       , inert_flat_cache    = emptyFunEqs
+                         , inert_insols   = emptyCts }
+       , inert_flat_cache    = emptyExactFunEqs
+       , inert_fsks          = []
        , inert_solved_dicts  = emptyDictMap }
 
 
 {- Note [Solved dictionaries]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-When we apply a top-level instance declararation, we add the "solved"
+When we apply a top-level instance declaration, we add the "solved"
 dictionary to the inert_solved_dicts.  In general, we use it to avoid
 creating a new EvVar when we have a new goal that we have solved in
 the past.
 
-But in particular, we can use it to create *recursive* dicationaries.
+But in particular, we can use it to create *recursive* dictionaries.
 The simplest, degnerate case is
     instance C [a] => C [a] where ...
 If we have
@@ -532,24 +601,27 @@ Result
 ********************************************************************* -}
 
 data InertCans   -- See Note [Detailed InertCans Invariants] for more
-  = IC { inert_model :: InertModel
-
-       , inert_eqs :: TyVarEnv EqualCtList
-              -- All Given/Wanted CTyEqCans; index is the LHS tyvar
+  = IC { inert_eqs :: InertEqs
+              -- See Note [inert_eqs: the inert equalities]
+              -- All CTyEqCans; index is the LHS tyvar
+              -- Domain = skolems and untouchables; a touchable would be unified
 
        , inert_funeqs :: FunEqMap Ct
               -- All CFunEqCans; index is the whole family head type.
-              -- Hence (by CFunEqCan invariants),
-              -- all Nominal, and all Given/Wanted (no Derived)
+              -- All Nominal (that's an invarint of all CFunEqCans)
+              -- LHS is fully rewritten (modulo eqCanRewrite constraints)
+              --     wrt inert_eqs
+              -- Can include all flavours, [G], [W], [WD], [D]
+              -- See Note [Type family equations]
 
        , inert_dicts :: DictMap Ct
-              -- Dictionaries only, index is the class
-              -- NB: index is /not/ the whole type because FD reactions
-              -- need to match the class but not necessarily the whole type.
+              -- Dictionaries only
+              -- All fully rewritten (modulo flavour constraints)
+              --     wrt inert_eqs
 
        , inert_safehask :: DictMap Ct
               -- Failed dictionary resolution due to Safe Haskell overlapping
-              -- instances restriction. We keep this seperate from inert_dicts
+              -- instances restriction. We keep this separate from inert_dicts
               -- as it doesn't cause compilation failure, just safe inference
               -- failure.
               --
@@ -569,15 +641,11 @@ data InertCans   -- See Note [Detailed InertCans Invariants] for more
               -- When non-zero, keep trying to solved
        }
 
-type InertModel  = TyVarEnv Ct
-     -- If a -> ct, then ct is a
-     --    nominal, Derived, canonical CTyEqCan for [D] (a ~N rhs)
-     -- The index of the TyVarEnv is the 'a'
-     -- All saturated info for Given, Wanted, Derived is here
-
+type InertEqs    = DTyVarEnv EqualCtList
+type EqualCtList = [Ct]  -- See Note [EqualCtList invariants]
 
 {- Note [Detailed InertCans Invariants]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 The InertCans represents a collection of constraints with the following properties:
 
   * All canonical
@@ -599,66 +667,64 @@ The InertCans represents a collection of constraints with the following properti
   * CTyEqCan equalities: see Note [Applying the inert substitution]
                          in TcFlatten
 
+Note [EqualCtList invariants]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+    * All are equalities
+    * All these equalities have the same LHS
+    * The list is never empty
+    * No element of the list can rewrite any other
+    * Derived before Wanted
+
+From the fourth invariant it follows that the list is
+   - A single [G], or
+   - Zero or one [D] or [WD], followd by any number of [W]
+
+The Wanteds can't rewrite anything which is why we put them last
+
 Note [Type family equations]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-Type-family equations, of form (ev : F tys ~ ty), live in three places
+Type-family equations, CFunEqCans, of form (ev : F tys ~ ty),
+live in three places
 
   * The work-list, of course
 
+  * The inert_funeqs are un-solved but fully processed, and in
+    the InertCans. They can be [G], [W], [WD], or [D].
+
   * The inert_flat_cache.  This is used when flattening, to get maximal
-    sharing.  It contains lots of things that are still in the work-list.
+    sharing. Everthing in the inert_flat_cache is [G] or [WD]
+
+    It contains lots of things that are still in the work-list.
     E.g Suppose we have (w1: F (G a) ~ Int), and (w2: H (G a) ~ Int) in the
         work list.  Then we flatten w1, dumping (w3: G a ~ f1) in the work
         list.  Now if we flatten w2 before we get to w3, we still want to
         share that (G a).
-
     Because it contains work-list things, DO NOT use the flat cache to solve
     a top-level goal.  Eg in the above example we don't want to solve w3
     using w3 itself!
 
-  * The inert_funeqs are un-solved but fully processed and in the InertCans.
-
-Note [inert_model: the inert model]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Part of the inert set is the “model”
-   * The “Model” is an non-idempotent but no-occurs-check
-     substitution, reflecting *all* *Nominal* equalities (a ~N ty)
-     that are not immediately soluble by unification.
-
-   * The principal reason for maintaining the model is to generate equalities
-     that tell us how unify a variable: that is, what Mark Jones calls
-     "improvement". The same idea is sometimes also called "saturation";
-     find all the equalities that must hold in any solution.
-
-   * There are two sources of constraints in the model:
-     - Derived constraints arising from functional dependencies, or
-       decomposing injective arguments of type functions, and suchlike.
+The CFunEqCan Ownership Invariant:
 
-     - A "shadow copy" for every Given or Wanted (a ~N ty) in
-       inert_eqs.  We imagine that every G/W immediately generates its shadow
-       constraint, but we refrain from actually generating the constraint itself
-       until necessary.  See (DShadow) and (GWShadow) in
-       Note [Adding an inert canonical constraint the InertCans]
+  * Each [G/W/WD] CFunEqCan has a distinct fsk or fmv
+    It "owns" that fsk/fmv, in the sense that:
+      - reducing a [W/WD] CFunEqCan fills in the fmv
+      - unflattening a [W/WD] CFunEqCan fills in the fmv
+      (in both cases unless an occurs-check would result)
 
-   * If (a -> ty) is in the model, then it is
-     as if we had an inert constraint [D] a ~N ty.
+  * In contrast a [D] CFunEqCan does not "own" its fmv:
+      - reducing a [D] CFunEqCan does not fill in the fmv;
+        it just generates an equality
+      - unflattening ignores [D] CFunEqCans altogether
 
-   * Domain of the model = skolems + untouchables
-
-   * The inert_eqs are all Given/Wanted.  The Derived ones are in the
-     inert_model only.
-
-   * However inert_dicts, inert_irreds may well contain derived costraints.
 
 Note [inert_eqs: the inert equalities]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
 Definition [Can-rewrite relation]
 A "can-rewrite" relation between flavours, written f1 >= f2, is a
 binary relation with the following properties
 
-  R1.  >= is transitive
-  R2.  If f1 >= f, and f2 >= f,
+  (R1) >= is transitive
+  (R2) If f1 >= f, and f2 >= f,
        then either f1 >= f2 or f2 >= f1
 
 Lemma.  If f1 >= f then f1 >= f1
@@ -685,7 +751,7 @@ See Note [Flavours with roles].
 Theorem: S(f,a) is well defined as a function.
 Proof: Suppose (a -f1-> t1) and (a -f2-> t2) are both in S,
                and  f1 >= f and f2 >= f
-       Then by (R2) f1 >= f2 or f2 >= f1, which contradicts (WF)
+       Then by (R2) f1 >= f2 or f2 >= f1, which contradicts (WF1)
 
 Notation: repeated application.
   S^0(f,t)     = t
@@ -697,8 +763,8 @@ A generalised substitution S is "inert" iff
   (IG1) there is an n such that
         for every f,t, S^n(f,t) = S^(n+1)(f,t)
 
-  (IG2) if (b -f-> t) in S, and f >= f, then S(f,t) = t
-        that is, each individual binding is "self-stable"
+By (IG1) we define S*(f,t) to be the result of exahaustively
+applying S(f,_) to t.
 
 ----------------------------------------------------------------
 Our main invariant:
@@ -709,7 +775,10 @@ Note that inertness is not the same as idempotence.  To apply S to a
 type, you may have to apply it recursive.  But inertness does
 guarantee that this recursive use will terminate.
 
----------- The main theorem --------------
+Note [Extending the inert equalities]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Theorem [Stability under extension]
+   This is the main theorem!
    Suppose we have a "work item"
        a -fw-> t
    and an inert generalised substitution S,
@@ -719,6 +788,9 @@ guarantee that this recursive use will terminate.
       (T3) a not in t      -- No occurs check in the work item
 
       (K1) for every (a -fs-> s) in S, then not (fw >= fs)
+           Reason: the work item is fully rewritten by S, hence not (fs >= fw)
+                   but if (fw >= fs) then the work item could rewrite
+                   the inert item
 
       (K2) for every (b -fs-> s) in S, where b /= a, then
               (K2a) not (fs >= fs)
@@ -726,20 +798,26 @@ guarantee that this recursive use will terminate.
            or (K2c) not (fw >= fs)
            or (K2d) a not in s
 
-      (K3) If (b -fs-> s) is in S with (fw >= fs), then
+      (K3) See Note [K3: completeness of solving]
+           If (b -fs-> s) is in S with (fw >= fs), then
         (K3a) If the role of fs is nominal: s /= a
         (K3b) If the role of fs is representational: EITHER
                 a not in s, OR
                 the path from the top of s to a includes at least one non-newtype
 
-   then the extended substition T = S+(a -fw-> t)
+   then the extended substitution T = S+(a -fw-> t)
    is an inert generalised substitution.
 
+Conditions (T1-T3) are established by the canonicaliser
+Conditions (K1-K3) are established by TcSMonad.kickOutRewritable
+
 The idea is that
 * (T1-2) are guaranteed by exhaustively rewriting the work-item
   with S(fw,_).
 
 * T3 is guaranteed by a simple occurs-check on the work item.
+  This is done during canonicalisation, in canEqTyVar;
+  (invariant: a CTyEqCan never has an occurs check).
 
 * (K1-3) are the "kick-out" criteria.  (As stated, they are really the
   "keep" criteria.) If the current inert S contains a triple that does
@@ -751,11 +829,17 @@ The idea is that
   TODO: Make sure that kicking out really *is* a Bad Thing. We've assumed
   this but haven't done the empirical study to check.
 
-* Assume we have  G>=G, G>=W, D>=D, and that's all.  Then, when performing
+* Assume we have  G>=G, G>=W and that's all.  Then, when performing
   a unification we add a new given  a -G-> ty.  But doing so does NOT require
   us to kick out an inert wanted that mentions a, because of (K2a).  This
   is a common case, hence good not to kick out.
 
+* Lemma (L2): if not (fw >= fw), then K1-K3 all hold.
+  Proof: using Definition [Can-rewrite relation], fw can't rewrite anything
+         and so K1-K3 hold.  Intuitively, since fw can't rewrite anything,
+         adding it cannot cause any loops
+  This is a common case, because Wanteds cannot rewrite Wanteds.
+
 * Lemma (L1): The conditions of the Main Theorem imply that there is no
               (a -fs-> t) in S, s.t.  (fs >= fw).
   Proof. Suppose the contrary (fs >= fw).  Then because of (T1),
@@ -768,7 +852,7 @@ The idea is that
 
 * (K2) is about inertness.  Intuitively, any infinite chain T^0(f,t),
   T^1(f,t), T^2(f,T).... must pass through the new work item infnitely
-  often, since the substution without the work item is inert; and must
+  often, since the substitution without the work item is inert; and must
   pass through at least one of the triples in S infnitely often.
 
   - (K2a): if not(fs>=fs) then there is no f that fs can rewrite (fs>=f),
@@ -783,7 +867,7 @@ The idea is that
   - (K2c): If this holds, we can't pass through this triple infinitely
     often, because if we did then fs>=f, fw>=f, hence by (R2)
       * either fw>=fs, contradicting K2c
-      * or fs>=fw; so by the agument in K2b we can't have a loop
+      * or fs>=fw; so by the argument in K2b we can't have a loop
 
   - (K2d): if a not in s, we hae no further opportunity to apply the
     work item, similar to (K2b)
@@ -794,11 +878,11 @@ Key lemma to make it watertight.
   Under the conditions of the Main Theorem,
   forall f st fw >= f, a is not in S^k(f,t), for any k
 
-Also, consider roles more carefully. See Note [Flavours with roles].
+Also, consider roles more carefully. See Note [Flavours with roles]
 
-Completeness
-~~~~~~~~~~~~~
-K3: completeness.  (K3) is not necessary for the extended substitution
+Note [K3: completeness of solving]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+(K3) is not necessary for the extended substitution
 to be inert.  In fact K1 could be made stronger by saying
    ... then (not (fw >= fs) or not (fs >= fs))
 But it's not enough for S to be inert; we also want completeness.
@@ -852,34 +936,17 @@ inerts whenever the tyvar of a work item is "exposed", where exposed means
 not under some proper data-type constructor, like [] or Maybe. See
 isTyVarExposed in TcType. This is encoded in (K3b).
 
-Note [Stability of flattening]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-The inert_eqs and inert_model, *considered separately* are each stable;
-that is, substituting using them will terminate.  Considered *together*
-they are not.  E.g.
-
-  Add: [G] a~[b] to inert set with model  [D] b~[a]
-
-  We add [G] a~[b] to inert_eqs, and emit [D] a~[b]. At this point
-  the combination of inert_eqs and inert_model is not stable.
-
-  Then we canonicalise [D] a~[b] to [D] a~[[a]], and add that to
-  insolubles as an occurs check.
-
-* When canonicalizing, the flattener respects flavours. In particular,
-  when flattening a type variable 'a':
-    * Derived:      look up 'a' in the inert_model
-    * Given/Wanted: look up 'a' in the inert_eqs
-
-
 Note [Flavours with roles]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-The system described in Note [The inert equalities] discusses an abstract
+The system described in Note [inert_eqs: the inert equalities]
+discusses an abstract
 set of flavours. In GHC, flavours have two components: the flavour proper,
-taken from {Wanted, Derived, Given}; and the equality relation (often called
-role), taken from {NomEq, ReprEq}. When substituting w.r.t. the inert set,
-as described in Note [The inert equalities], we must be careful to respect
-roles. For example, if we have
+taken from {Wanted, Derived, Given} and the equality relation (often called
+role), taken from {NomEq, ReprEq}.
+When substituting w.r.t. the inert set,
+as described in Note [inert_eqs: the inert equalities],
+we must be careful to respect all components of a flavour.
+For example, if we have
 
   inert set: a -G/R-> Int
              b -G/R-> Bool
@@ -889,61 +956,165 @@ roles. For example, if we have
 and we wish to compute S(W/R, T a b), the correct answer is T a Bool, NOT
 T Int Bool. The reason is that T's first parameter has a nominal role, and
 thus rewriting a to Int in T a b is wrong. Indeed, this non-congruence of
-subsitution means that the proof in Note [The inert equalities] may need
+substitution means that the proof in Note [The inert equalities] may need
 to be revisited, but we don't think that the end conclusion is wrong.
+-}
 
-Note [Examples of how the inert_model helps completeness]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
------------ Example 2 (indexed-types/should_fail/T4093a)
-  Ambiguity check for f: (Foo e ~ Maybe e) => Foo e
-
-  We get [G] Foo e ~ Maybe e
-         [W] Foo e ~ Foo ee      -- ee is a unification variable
-         [W] Foo ee ~ Maybe ee
-
-  Flatten: [G] Foo e ~ fsk
-           [G] fsk ~ Maybe e   -- (A)
-
-           [W] Foo ee ~ fmv
-           [W] fmv ~ fsk       -- (B) From Foo e ~ Foo ee
-           [W] fmv ~ Maybe ee
-
-  --> rewrite (B) with (A)
-           [W] Foo ee ~ fmv
-           [W] fmv ~ Maybe e
-           [W] fmv ~ Maybe ee
-
-  But now awe appear to be stuck, since we don't rewrite Wanteds with
-  Wanteds. But inert_model to the rescue.  In the model we first added
-           fmv -> Maybe e
-  Then when adding [W] fmv -> Maybe ee to the inert set, we noticed
-  that the model can rewrite the constraint, and so emit [D] fmv ~ Maybe ee.
-  That canonicalises to
-           [D] Maybe e ~ Maybe ee
-  and that soon yields ee := e, and all is well
-
------------ Example 3 (typecheck/should_compile/Improvement.hs)
-    type instance F Int = Bool
-    instance (b~Int) => C Bool b
-
-    [W] w1 : C (F alpha) alpha, [W] w2 : F alpha ~ Bool
-
-  If we rewrote wanteds with wanteds, we could rewrite w1 to
-  C Bool alpha, use the instance to get alpha ~ Int, and solve
-  the whole thing.
+instance Outputable InertCans where
+  ppr (IC { inert_eqs = eqs
+          , inert_funeqs = funeqs, inert_dicts = dicts
+          , inert_safehask = safehask, inert_irreds = irreds
+          , inert_insols = insols, inert_count = count })
+    = braces $ vcat
+      [ ppUnless (isEmptyDVarEnv eqs) $
+        text "Equalities:"
+          <+> pprCts (foldDVarEnv (\eqs rest -> listToBag eqs `andCts` rest) emptyCts eqs)
+      , ppUnless (isEmptyTcAppMap funeqs) $
+        text "Type-function equalities =" <+> pprCts (funEqsToBag funeqs)
+      , ppUnless (isEmptyTcAppMap dicts) $
+        text "Dictionaries =" <+> pprCts (dictsToBag dicts)
+      , ppUnless (isEmptyTcAppMap safehask) $
+        text "Safe Haskell unsafe overlap =" <+> pprCts (dictsToBag safehask)
+      , ppUnless (isEmptyCts irreds) $
+        text "Irreds =" <+> pprCts irreds
+      , ppUnless (isEmptyCts insols) $
+        text "Insolubles =" <+> pprCts insols
+      , text "Unsolved goals =" <+> int count
+      ]
 
-  And that is exactly what happens, in the *Derived* constraints.
-  In effect we get
+{- *********************************************************************
+*                                                                      *
+             Shadow constraints and improvement
+*                                                                      *
+************************************************************************
 
-    [D] F alpha ~ fmv
-    [D] C fmv alpha
-    [D] fmv ~ Bool
+Note [The improvement story and derived shadows]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Because Wanteds cannot rewrite Wanteds (see Note [Wanteds do not
+rewrite Wanteds] in TcRnTypes), we may miss some opportunities for
+solving.  Here's a classic example (indexed-types/should_fail/T4093a)
 
-  and now we can rewrite (C fmv alpha) with (fmv ~ Bool), ane
-  we are off to the races.
+    Ambiguity check for f: (Foo e ~ Maybe e) => Foo e
+
+    We get [G] Foo e ~ Maybe e
+           [W] Foo e ~ Foo ee      -- ee is a unification variable
+           [W] Foo ee ~ Maybe ee
+
+    Flatten: [G] Foo e ~ fsk
+             [G] fsk ~ Maybe e   -- (A)
+
+             [W] Foo ee ~ fmv
+             [W] fmv ~ fsk       -- (B) From Foo e ~ Foo ee
+             [W] fmv ~ Maybe ee
+
+    --> rewrite (B) with (A)
+             [W] Foo ee ~ fmv
+             [W] fmv ~ Maybe e
+             [W] fmv ~ Maybe ee
+
+    But now we appear to be stuck, since we don't rewrite Wanteds with
+    Wanteds.  This is silly because we can see that ee := e is the
+    only solution.
+
+The basic plan is
+  * generate Derived constraints that shadow Wanted constraints
+  * allow Derived to rewrite Derived
+  * in order to cause some unifications to take place
+  * that in turn solve the original Wanteds
+
+The ONLY reason for all these Derived equalities is to tell us how to
+unify a variable: that is, what Mark Jones calls "improvement".
+
+The same idea is sometimes also called "saturation"; find all the
+equalities that must hold in any solution.
+
+Or, equivalently, you can think of the derived shadows as implementing
+the "model": an non-idempotent but no-occurs-check substitution,
+reflecting *all* *Nominal* equalities (a ~N ty) that are not
+immediately soluble by unification.
+
+More specifically, here's how it works (Oct 16):
+
+* Wanted constraints are born as [WD]; this behaves like a
+  [W] and a [D] paired together.
+
+* When we are about to add a [WD] to the inert set, if it can
+  be rewritten by a [D] a ~ ty, then we split it into [W] and [D],
+  putting the latter into the work list (see maybeEmitShadow).
+
+In the example above, we get to the point where we are stuck:
+    [WD] Foo ee ~ fmv
+    [WD] fmv ~ Maybe e
+    [WD] fmv ~ Maybe ee
+
+But now when [WD] fmv ~ Maybe ee is about to be added, we'll
+split it into [W] and [D], since the inert [WD] fmv ~ Maybe e
+can rewrite it.  Then:
+    work item: [D] fmv ~ Maybe ee
+    inert:     [W] fmv ~ Maybe ee
+               [WD] fmv ~ Maybe e   -- (C)
+               [WD] Foo ee ~ fmv
+
+See Note [Splitting WD constraints].  Now the work item is rewritten
+by (C) and we soon get ee := e.
+
+Additional notes:
+
+  * The derived shadow equalities live in inert_eqs, along with
+    the Givens and Wanteds; see Note [EqualCtList invariants].
+
+  * We make Derived shadows only for Wanteds, not Givens.  So we
+    have only [G], not [GD] and [G] plus splitting.  See
+    Note [Add derived shadows only for Wanteds]
+
+  * We also get Derived equalities from functional dependencies
+    and type-function injectivity; see calls to unifyDerived.
+
+  * This splitting business applies to CFunEqCans too; and then
+    we do apply type-function reductions to the [D] CFunEqCan.
+    See Note [Reduction for Derived CFunEqCans]
+
+  * It's worth having [WD] rather than just [W] and [D] because
+    * efficiency: silly to process the same thing twice
+    * inert_funeqs, inert_dicts is a finite map keyed by
+      the type; it's inconvenient for it to map to TWO constraints
+
+Note [Splitting WD constraints]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We are about to add a [WD] constraint to the inert set; and we
+know that the inert set has fully rewritten it.  Should we split
+it into [W] and [D], and put the [D] in the work list for further
+work?
+
+* CDictCan (C tys) or CFunEqCan (F tys ~ fsk):
+  Yes if the inert set could rewrite tys to make the class constraint,
+  or type family, fire.  That is, yes if the inert_eqs intersects
+  with the free vars of tys.  For this test we use
+  (anyRewritableTyVar True) which ignores casts and coercions in tys,
+  because rewriting the casts or coercions won't make the thing fire
+  more often.
 
------------ Example 4 (Trac #10009, a nasty example):
+* CTyEqCan (a ~ ty): Yes if the inert set could rewrite 'a' or 'ty'.
+  We need to check both 'a' and 'ty' against the inert set:
+    - Inert set contains  [D] a ~ ty2
+      Then we want to put [D] a ~ ty in the worklist, so we'll
+      get [D] ty ~ ty2 with consequent good things
+
+    - Inert set contains [D] b ~ a, where b is in ty.
+      We can't just add [WD] a ~ ty[b] to the inert set, because
+      that breaks the inert-set invariants.  If we tried to
+      canonicalise another [D] constraint mentioning 'a', we'd
+      get an infinite loop
+
+  Moreover we must use (anyRewritableTyVar False) for the RHS,
+  because even tyvars in the casts and coercions could give
+  an infinite loop if we don't expose it
+
+* Others: nothing is gained by splitting.
+
+Note [Examples of how Derived shadows helps completeness]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Trac #10009, a very nasty example:
 
     f :: (UnF (F b) ~ b) => F b -> ()
 
@@ -951,272 +1122,299 @@ Note [Examples of how the inert_model helps completeness]
     g _ = f (undefined :: F a)
 
   For g we get [G] UnF (F a) ~ a
-               [W] UnF (F beta) ~ beta
-               [W] F a ~ F beta
+               [WD] UnF (F beta) ~ beta
+               [WD] F a ~ F beta
   Flatten:
       [G] g1: F a ~ fsk1         fsk1 := F a
       [G] g2: UnF fsk1 ~ fsk2    fsk2 := UnF fsk1
       [G] g3: fsk2 ~ a
 
-      [W] w1: F beta ~ fmv1
-      [W] w2: UnF fmv1 ~ fmv2
-      [W] w3: beta ~ fmv2
-      [W] w5: fmv1 ~ fsk1   -- From F a ~ F beta using flat-cache
-                            -- and re-orient to put meta-var on left
-
-  Unify beta := fmv2
-      [W] w1: F fmv2 ~ fmv1
-      [W] w2: UnF fmv1 ~ fmv2
-      [W] w5: fmv1 ~ fsk1
-
-  In the model, we have the shadow Deriveds of w1 and w2
-  (I name them for convenience even though they are anonymous)
-      [D] d1: F fmv2 ~ fmv1d
-      [D] d2: fmv1d ~ fmv1
-      [D] d3: UnF fmv1 ~ fmv2d
-      [D] d4: fmv2d ~ fmv2
-
-  Now we can rewrite d3 with w5, and match with g2, to get
-      fmv2d := fsk2
-      [D] d1: F fmv2 ~ fmv1d
-      [D] d2: fmv1d ~ fmv1
-      [D] d4: fmv2 ~ fsk2
-
-  Use g2 to rewrite fsk2 to a.
-      [D] d1: F fmv2 ~ fmv1d
-      [D] d2: fmv1d ~ fmv1
-      [D] d4: fmv2 ~ a
-
-  Use d4 to rewrite d1, rewrite with g3,
-  match with g1, to get
-      fmv1d := fsk1
-      [D] d2: fmv1 ~ fsk1
-      [D] d4: fmv2 ~ a
-
-  At this point we are stuck so we unflatten this set:
-  See Note [Orientation of equalities with fmvs]
-      [W] w1: F fmv2 ~ fmv1
-      [W] w2: UnF fmv1 ~ fmv2
-      [W] w5: fmv1 ~ fsk1
-      [D] d4: fmv2 ~ a
-
-  Unflattening will discharge w1: fmv1 := F fmv2
-  It can't discharge w2, so it is kept.  But we can
-  unify fmv2 := fsk2, and that is "progress". Result
-      [W] w2: UnF (F a) ~ a
-      [W] w5: F a ~ fsk1
-
-  And now both of these are easily proved in the next iteration.  Phew!
+      [WD] w1: F beta ~ fmv1
+      [WD] w2: UnF fmv1 ~ fmv2
+      [WD] w3: fmv2 ~ beta
+      [WD] w4: fmv1 ~ fsk1   -- From F a ~ F beta using flat-cache
+                             -- and re-orient to put meta-var on left
+
+Rewrite w2 with w4: [D] d1: UnF fsk1 ~ fmv2
+React that with g2: [D] d2: fmv2 ~ fsk2
+React that with w3: [D] beta ~ fsk2
+            and g3: [D] beta ~ a -- Hooray beta := a
+And that is enough to solve everything
+
+Note [Add derived shadows only for Wanteds]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We only add shadows for Wanted constraints. That is, we have
+[WD] but not [GD]; and maybeEmitShaodw looks only at [WD]
+constraints.
+
+It does just possibly make sense ot add a derived shadow for a
+Given. If we created a Derived shadow of a Given, it could be
+rewritten by other Deriveds, and that could, conceivably, lead to a
+useful unification.
+
+But (a) I have been unable to come up with an example of this
+        happening
+    (b) see Trac #12660 for how adding the derived shadows
+        of a Given led to an infinite loop.
+    (c) It's unlikely that rewriting derived Givens will lead
+        to a unification because Givens don't mention touchable
+        unification variables
+
+For (b) there may be other ways to solve the loop, but simply
+reraining from adding derived shadows of Givens is particularly
+simple.  And it's more efficient too!
+
+Still, here's one possible reason for adding derived shadows
+for Givens.  Consider
+           work-item [G] a ~ [b], inerts has [D] b ~ a.
+If we added the derived shadow (into the work list)
+         [D] a ~ [b]
+When we process it, we'll rewrite to a ~ [a] and get an
+occurs check.  Without it we'll miss the occurs check (reporting
+inaccessible code); but that's probably OK.
+
+Note [Keep CDictCan shadows as CDictCan]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Suppose we have
+  class C a => D a b
+and [G] D a b, [G] C a in the inert set.  Now we insert
+[D] b ~ c.  We want to kick out a derived shadow for [D] D a b,
+so we can rewrite it with the new constraint, and perhaps get
+instance reduction or other consequences.
+
+BUT we do not want to kick out a *non-canonical* (D a b). If we
+did, we would do this:
+  - rewrite it to [D] D a c, with pend_sc = True
+  - use expandSuperClasses to add C a
+  - go round again, which solves C a from the givens
+This loop goes on for ever and triggers the simpl_loop limit.
+
+Solution: kick out the CDictCan which will have pend_sc = False,
+because we've already added its superclasses.  So we won't re-add
+them.  If we forget the pend_sc flag, our cunning scheme for avoiding
+generating superclasses repeatedly will fail.
+
+See Trac #11379 for a case of this.
+
+Note [Do not do improvement for WOnly]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+We do improvement between two constraints (e.g. for injectivity
+or functional dependencies) only if both are "improvable". And
+we improve a constraint wrt the top-level instances only if
+it is improvable.
+
+Improvable:     [G] [WD] [D}
+Not improvable: [W]
+
+Reasons:
+
+* It's less work: fewer pairs to compare
+
+* Every [W] has a shadow [D] so nothing is lost
+
+* Consider [WD] C Int b,  where 'b' is a skolem, and
+    class C a b | a -> b
+    instance C Int Bool
+  We'll do a fundep on it and emit [D] b ~ Bool
+  That will kick out constraint [WD] C Int b
+  Then we'll split it to [W] C Int b (keep in inert)
+                     and [D] C Int b (in work list)
+  When processing the latter we'll rewrite it to
+        [D] C Int Bool
+  At that point it would be /stupid/ to interact it
+  with the inert [W] C Int b in the inert set; after all,
+  it's the very constraint from which the [D] C Int Bool
+  was split!  We can avoid this by not doing improvement
+  on [W] constraints. This came up in Trac #12860.
 -}
 
-instance Outputable InertCans where
-  ppr (IC { inert_model = model, inert_eqs = eqs
-          , inert_funeqs = funeqs, inert_dicts = dicts
-          , inert_safehask = safehask, inert_irreds = irreds
-          , inert_insols = insols, inert_count = count })
-    = braces $ vcat
-      [ ppUnless (isEmptyVarEnv eqs) $
-        ptext (sLit "Equalities:")
-          <+> pprCts (foldVarEnv (\eqs rest -> listToBag eqs `andCts` rest) emptyCts eqs)
-      , ppUnless (isEmptyTcAppMap funeqs) $
-        ptext (sLit "Type-function equalities =") <+> pprCts (funEqsToBag funeqs)
-      , ppUnless (isEmptyTcAppMap dicts) $
-        ptext (sLit "Dictionaries =") <+> pprCts (dictsToBag dicts)
-      , ppUnless (isEmptyTcAppMap safehask) $
-        ptext (sLit "Safe Haskell unsafe overlap =") <+> pprCts (dictsToBag safehask)
-      , ppUnless (isEmptyCts irreds) $
-        ptext (sLit "Irreds =") <+> pprCts irreds
-      , ppUnless (isEmptyCts insols) $
-        text "Insolubles =" <+> pprCts insols
-      , ppUnless (isEmptyVarEnv model) $
-        text "Model =" <+> pprCts (foldVarEnv consCts emptyCts model)
-      , text "Unsolved goals =" <+> int count
-      ]
+maybeEmitShadow :: InertCans -> Ct -> TcS Ct
+-- See Note [The improvement story and derived shadows]
+maybeEmitShadow ics ct
+  | let ev = ctEvidence ct
+  , CtWanted { ctev_pred = pred, ctev_loc = loc
+             , ctev_nosh = WDeriv } <- ev
+  , shouldSplitWD (inert_eqs ics) ct
+  = do { traceTcS "Emit derived shadow" (ppr ct)
+       ; let derived_ev = CtDerived { ctev_pred = pred
+                                    , ctev_loc  = loc }
+             shadow_ct = ct { cc_ev = derived_ev }
+               -- Te shadow constraint keeps the canonical shape.
+               -- This just saves work, but is sometimes important;
+               -- see Note [Keep CDictCan shadows as CDictCan]
+       ; emitWork [shadow_ct]
+
+       ; let ev' = ev { ctev_nosh = WOnly }
+             ct' = ct { cc_ev = ev' }
+                 -- Record that it now has a shadow
+                 -- This is /the/ place we set the flag to WOnly
+       ; return ct' }
+
+  | otherwise
+  = return ct
+
+shouldSplitWD :: InertEqs -> Ct -> Bool
+-- Precondition: 'ct' is [WD], and is inert
+-- True <=> we should split ct ito [W] and [D] because
+--          the inert_eqs can make progress on the [D]
+-- See Note [Splitting WD constraints]
+
+shouldSplitWD inert_eqs (CFunEqCan { cc_tyargs = tys })
+  = should_split_match_args inert_eqs tys
+    -- We don't need to split if the tv is the RHS fsk
+
+shouldSplitWD inert_eqs (CDictCan { cc_tyargs = tys })
+  = should_split_match_args inert_eqs tys
+    -- NB True: ignore coercions
+    -- See Note [Splitting WD constraints]
+
+shouldSplitWD inert_eqs (CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_rhs = ty })
+  =  tv `elemDVarEnv` inert_eqs
+  || anyRewritableTyVar False (`elemDVarEnv` inert_eqs) ty
+  -- NB False: do not ignore casts and coercions
+  -- See Note [Splitting WD constraints]
+
+shouldSplitWD _ _ = False   -- No point in splitting otherwise
+
+should_split_match_args :: InertEqs -> [TcType] -> Bool
+-- True if the inert_eqs can rewrite anything in the argument
+-- types, ignoring casts and coercions
+should_split_match_args inert_eqs tys
+  = any (anyRewritableTyVar True (`elemDVarEnv` inert_eqs)) tys
+    -- NB True: ignore casts coercions
+    -- See Note [Splitting WD constraints]
+
+isImprovable :: CtEvidence -> Bool
+-- See Note [Do not do improvement for WOnly]
+isImprovable (CtWanted { ctev_nosh = WOnly }) = False
+isImprovable _                                = True
+
 
 {- *********************************************************************
 *                                                                      *
-                  Adding an inert
+                   Inert equalities
 *                                                                      *
-************************************************************************
+********************************************************************* -}
 
-Note [Adding an inert canonical constraint the InertCans]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-* Adding any constraint c *other* than a CTyEqCan (TcSMonad.addInertCan):
+addTyEq :: InertEqs -> TcTyVar -> Ct -> InertEqs
+addTyEq old_eqs tv ct
+  = extendDVarEnv_C add_eq old_eqs tv [ct]
+  where
+    add_eq old_eqs _
+      | isWantedCt ct
+      , (eq1 : eqs) <- old_eqs
+      = eq1 : ct : eqs
+      | otherwise
+      = ct : old_eqs
 
-    * If c can be rewritten by model, emit [D] c, as NonCanonical.
-      See Note [Can be rewritten by model]
+foldTyEqs :: (Ct -> b -> b) -> InertEqs -> b -> b
+foldTyEqs k eqs z
+  = foldDVarEnv (\cts z -> foldr k z cts) z eqs
 
-    * Reason for non-canonical: a CFunEqCan has a unique fmv on the RHS,
-      so we must not duplicate it.
+findTyEqs :: InertCans -> TyVar -> EqualCtList
+findTyEqs icans tv = lookupDVarEnv (inert_eqs icans) tv `orElse` []
 
-* Adding a *nominal* CTyEqCan (a ~N ty) to the inert set (TcSMonad.addInertEq).
+delTyEq :: InertEqs -> TcTyVar -> TcType -> InertEqs
+delTyEq m tv t = modifyDVarEnv (filter (not . isThisOne)) m tv
+  where isThisOne (CTyEqCan { cc_rhs = t1 }) = eqType t t1
+        isThisOne _                          = False
 
-    * We always (G/W/D) kick out constraints that can be rewritten
-      (respecting flavours) by the new constraint.
-        - This is done by kickOutRewritable;
-          see Note [inert_eqs: the inert equalities].
+lookupInertTyVar :: InertEqs -> TcTyVar -> Maybe TcType
+lookupInertTyVar ieqs tv
+  = case lookupDVarEnv ieqs tv of
+      Just (CTyEqCan { cc_rhs = rhs, cc_eq_rel = NomEq } : _ ) -> Just rhs
+      _                                                        -> Nothing
 
-        - We do not need to kick anything out from the model; we only
-          add [D] constraints to the model (in effect) and they are
-          fully rewritten by the model, so (K2b) holds
+lookupFlattenTyVar :: InertEqs -> TcTyVar -> TcType
+-- See Note [lookupFlattenTyVar]
+lookupFlattenTyVar ieqs ftv
+  = lookupInertTyVar ieqs ftv `orElse` mkTyVarTy ftv
 
-        - A Derived equality can kick out [D] constraints in inert_dicts,
-          inert_irreds etc.  Nothing in inert_eqs because there are no
-          Derived constraints in inert_eqs.
+{- Note [lookupFlattenTyVar]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Suppose we have an injective function F and
+  inert_funeqs:   F t1 ~ fsk1
+                  F t2 ~ fsk2
+  inert_eqs:      fsk1 ~ fsk2
+
+We never rewrite the RHS (cc_fsk) of a CFunEqCan.  But we /do/ want to
+get the [D] t1 ~ t2 from the injectiveness of F.  So we look up the
+cc_fsk of CFunEqCans in the inert_eqs when trying to find derived
+equalities arising from injectivity.
+-}
 
-  Then, when adding:
 
-     * [Given/Wanted] a ~N ty
-        1. (GWShadow) If the model can rewrite (a~ty), then emit [D] a~ty
-           (GWModel)  Otherwise just add a~ty to the model
-                      (Reason: [D] a~ty is inert wrt model, and (K2b) holds)
+{- *********************************************************************
+*                                                                      *
+                  Adding an inert
+*                                                                      *
+************************************************************************
+
+Note [Adding an equality to the InertCans]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+When adding an equality to the inerts:
 
-        2. Add it to inert_eqs
+* Split [WD] into [W] and [D] if the inerts can rewrite the latter;
+  done by maybeEmitShadow.
 
-     * [Given/Wanted] a ~R ty: just add it to inert_eqs
+* Kick out any constraints that can be rewritten by the thing
+  we are adding.  Done by kickOutRewritable.
 
-     * [Derived] a ~N ty
-        1. (DShadow) Emit shadow-copies (emitDerivedShadows):
-             For every inert G/W constraint c, st
-               (a) (a~ty) can rewrite c (see Note [Can be rewritten]), and
-               (b) the model cannot rewrite c
-             kick out a Derived *copy*, leaving the original unchanged.
-             Reason for (b) if the model can rewrite c, then we have already
-             generated a shadow copy
+* Note that unifying a:=ty, is like adding [G] a~ty; just use
+  kickOutRewritable with Nominal, Given.  See kickOutAfterUnification.
+
+Note [Kicking out CFunEqCan for fundeps]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Consider:
+   New:    [D] fmv1 ~ fmv2
+   Inert:  [W] F alpha ~ fmv1
+           [W] F beta  ~ fmv2
 
-        2. Add (a~ty) to the model
-           NB: 'a' cannot be in fv(ty), because the constraint is canonical.
+where F is injective. The new (derived) equality certainly can't
+rewrite the inerts. But we *must* kick out the first one, to get:
 
-* Unifying a:=ty, is like adding [G] a~ty, but we can't make a [D] a~ty, as in
-  step (1) of the [G/W] case above.  So instead, do kickOutAfterUnification:
-    - Kick out from the model any equality (b~ty2) that mentions 'a'
-      (i.e. a=b or a in ty2).  Example:
-            [G] a ~ [b],    model [D] b ~ [a]
+   New:   [W] F alpha ~ fmv1
+   Inert: [W] F beta ~ fmv2
+          [D] fmv1 ~ fmv2
 
-Note [Can be rewritten]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-What does it mean to say "Constraint c can be rewritten by the model".
-See modelCanRewrite, rewritableTyVars.
+and now improvement will discover [D] alpha ~ beta. This is important;
+eg in Trac #9587.
 
-Basically it means fvs(c) intersects dom(model).  But can the model
-   [fmv -> ty]  rewrite  CFunEqCan   F Int ~ fmv ?
-No: we just look at the LHS of a CFunEqCan.
+So in kickOutRewritable we look at all the tyvars of the
+CFunEqCan, including the fsk.
 -}
 
 addInertEq :: Ct -> TcS ()
+-- This is a key function, because of the kick-out stuff
 -- Precondition: item /is/ canonical
-addInertEq ct@(CTyEqCan { cc_ev = ev, cc_eq_rel = eq_rel, cc_tyvar = tv })
+-- See Note [Adding an equality to the InertCans]
+addInertEq ct
   = do { traceTcS "addInertEq {" $
          text "Adding new inert equality:" <+> ppr ct
+
        ; ics <- getInertCans
 
-       ; let (kicked_out, ics1) = kickOutRewritable (ctEvFlavour ev, eq_rel) tv ics
-       ; ics2 <- add_inert_eq ics1 ct
+       ; ct@(CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_ev = ev }) <- maybeEmitShadow ics ct
 
-       ; setInertCans ics2
+       ; (_, ics1) <- kickOutRewritable (ctEvFlavourRole ev) tv ics
 
-       ; unless (isEmptyWorkList kicked_out) $
-         do { updWorkListTcS (appendWorkList kicked_out)
-            ; csTraceTcS $
-               hang (ptext (sLit "Kick out, tv =") <+> ppr tv)
-                  2 (vcat [ text "n-kicked =" <+> int (workListSize kicked_out)
-                          , ppr kicked_out ]) }
+       ; let ics2 = ics1 { inert_eqs   = addTyEq (inert_eqs ics1) tv ct
+                         , inert_count = bumpUnsolvedCount ev (inert_count ics1) }
+       ; setInertCans ics2
 
        ; traceTcS "addInertEq }" $ empty }
-addInertEq ct = pprPanic "addInertEq" (ppr ct)
-
-add_inert_eq :: InertCans -> Ct -> TcS InertCans
-add_inert_eq ics@(IC { inert_count = n
-                     , inert_eqs = old_eqs
-                     , inert_model = old_model })
-             ct@(CTyEqCan { cc_ev = ev, cc_eq_rel = eq_rel, cc_tyvar = tv })
-  | isDerived ev
-  = do { emitDerivedShadows ics tv
-       ; return (ics { inert_model = extendVarEnv old_model tv ct }) }
-
-  | ReprEq <- eq_rel
-  = return new_ics
-
-  -- Nominal equality, Given/Wanted
-  | modelCanRewrite old_model rw_tvs  -- Shadow of new constraint is
-  = do { emitNewDerivedEq loc pred    -- not inert, so emit it
-       ; return new_ics }
-
-  | otherwise   -- Shadow of new constraint is inert wrt model
-                -- so extend model, and create shadows it can now rewrite
-  = do { emitDerivedShadows ics tv
-       ; return (new_ics { inert_model = new_model }) }
-
-  where
-    loc     = ctEvLoc ev
-    pred    = ctEvPred ev
-    rw_tvs  = tyVarsOfType pred
-    new_ics = ics { inert_eqs   = addTyEq old_eqs tv ct
-                  , inert_count = bumpUnsolvedCount ev n }
-    new_model = extendVarEnv old_model tv derived_ct
-    derived_ct = ct { cc_ev = CtDerived { ctev_loc = loc, ctev_pred = pred } }
-
-add_inert_eq _ ct = pprPanic "addInertEq" (ppr ct)
-
-emitDerivedShadows :: InertCans -> TcTyVar -> TcS ()
-emitDerivedShadows IC { inert_eqs      = tv_eqs
-                      , inert_dicts    = dicts
-                      , inert_safehask = safehask
-                      , inert_funeqs   = funeqs
-                      , inert_irreds   = irreds
-                      , inert_model    = model } new_tv
-  = mapM_ emit_shadow shadows
-  where
-    emit_shadow ct = emitNewDerived loc pred
-      where
-        ev = ctEvidence ct
-        pred = ctEvPred ev
-        loc  = ctEvLoc  ev
-
-    shadows = foldDicts  get_ct dicts    $
-              foldDicts  get_ct safehask $
-              foldFunEqs get_ct funeqs   $
-              foldIrreds get_ct irreds   $
-              foldTyEqs  get_ct tv_eqs []
-      -- Ignore insolubles
-
-    get_ct ct cts | want_shadow ct = ct:cts
-                  | otherwise      = cts
-
-    want_shadow ct
-      =  not (isDerivedCt ct)               -- No need for a shadow of a Derived!
-      && (new_tv `elemVarSet` rw_tvs)       -- New tv can rewrite ct
-      && not (modelCanRewrite model rw_tvs) -- We have not alrady created a shadow
-      where
-        rw_tvs = rewritableTyVars ct
-
-modelCanRewrite :: InertModel -> TcTyVarSet -> Bool
--- True if there is any intersection between dom(model) and pred
-modelCanRewrite model tvs = foldVarSet ((||) . (`elemVarEnv` model)) False tvs
-
-rewritableTyVars :: Ct -> TcTyVarSet
-rewritableTyVars (CFunEqCan { cc_tyargs = tys }) = tyVarsOfTypes tys
-rewritableTyVars ct                              = tyVarsOfType (ctPred ct)
 
 --------------
 addInertCan :: Ct -> TcS ()  -- Constraints *other than* equalities
 addInertCan ct
   = do { traceTcS "insertInertCan {" $
-         text "Trying to insert new inert item:" <+> ppr ct
+         text "Trying to insert new non-eq inert item:" <+> ppr ct
 
        ; ics <- getInertCans
-       ; let ics' = add_item ics ct
-       ; setInertCans ics'
-
-       -- Emit shadow derived if necessary
-       ; when (not (isDerived ev) && modelCanRewrite (inert_model ics) rw_tvs)
-              (emitNewDerived (ctEvLoc ev) pred)
+       ; ct <- maybeEmitShadow ics ct
+       ; setInertCans (add_item ics ct)
 
        ; traceTcS "addInertCan }" $ empty }
-  where
-    rw_tvs = rewritableTyVars ct
-    ev     = ctEvidence ct
-    pred   = ctEvPred ev
 
 add_item :: InertCans -> Ct -> InertCans
 add_item ics item@(CFunEqCan { cc_fun = tc, cc_tyargs = tys })
@@ -1247,28 +1445,44 @@ bumpUnsolvedCount ev n | isWanted ev = n+1
 
 
 -----------------------------------------
-kickOutRewritable :: CtFlavourRole  -- Flavour and role of the equality that is
-                                    -- being added to the inert set
-                  -> TcTyVar        -- The new equality is tv ~ ty
-                  -> InertCans
-                  -> (WorkList, InertCans)
-   -- NB: Notice that don't kick out constraints from
-   -- inert_solved_dicts, and inert_solved_funeqs
-   -- optimistically. But when we lookup we have to
-   -- take the substitution into account
-kickOutRewritable new_fr new_tv
-                  ics@(IC { inert_eqs      = tv_eqs
-                          , inert_dicts    = dictmap
-                          , inert_safehask = safehask
-                          , inert_funeqs   = funeqmap
-                          , inert_irreds   = irreds
-                          , inert_insols   = insols
-                          , inert_count    = n
-                          , inert_model    = model })
-  | not (new_fr `eqCanRewriteFR` new_fr)
-  = (emptyWorkList, ics)  -- If new_flavour can't rewrite itself, it can't rewrite
-                          -- anything else, so no need to kick out anything
-                          -- This is a common case: wanteds can't rewrite wanteds
+kickOutRewritable  :: CtFlavourRole  -- Flavour/role of the equality that
+                                      -- is being added to the inert set
+                    -> TcTyVar        -- The new equality is tv ~ ty
+                    -> InertCans
+                    -> TcS (Int, InertCans)
+kickOutRewritable new_fr new_tv ics
+  = do { let (kicked_out, ics') = kick_out_rewritable new_fr new_tv ics
+             n_kicked = workListSize kicked_out
+
+       ; unless (n_kicked == 0) $
+         do { updWorkListTcS (appendWorkList kicked_out)
+            ; csTraceTcS $
+              hang (text "Kick out, tv =" <+> ppr new_tv)
+                 2 (vcat [ text "n-kicked =" <+> int n_kicked
+                         , text "kicked_out =" <+> ppr kicked_out
+                         , text "Residual inerts =" <+> ppr ics' ]) }
+
+       ; return (n_kicked, ics') }
+
+kick_out_rewritable :: CtFlavourRole  -- Flavour/role of the equality that
+                                      -- is being added to the inert set
+                    -> TcTyVar        -- The new equality is tv ~ ty
+                    -> InertCans
+                    -> (WorkList, InertCans)
+-- See Note [kickOutRewritable]
+kick_out_rewritable new_fr new_tv ics@(IC { inert_eqs      = tv_eqs
+                                        , inert_dicts    = dictmap
+                                        , inert_safehask = safehask
+                                        , inert_funeqs   = funeqmap
+                                        , inert_irreds   = irreds
+                                        , inert_insols   = insols
+                                        , inert_count    = n })
+  | not (new_fr `eqMayRewriteFR` new_fr)
+  = (emptyWorkList, ics)
+        -- If new_fr can't rewrite itself, it can't rewrite
+        -- anything else, so no need to kick out anything.
+        -- (This is a common case: wanteds can't rewrite wanteds)
+        -- Lemma (L2) in Note [Extending the inert equalities]
 
   | otherwise
   = (kicked_out, inert_cans_in)
@@ -1279,9 +1493,7 @@ kickOutRewritable new_fr new_tv
                        , inert_funeqs   = feqs_in
                        , inert_irreds   = irs_in
                        , inert_insols   = insols_in
-                       , inert_count    = n - workListWantedCount kicked_out
-                       , inert_model    = model }
-                     -- Leave the model unchanged
+                       , inert_count    = n - workListWantedCount kicked_out }
 
     kicked_out = WL { wl_eqs    = tv_eqs_out
                     , wl_funeqs = feqs_out
@@ -1290,55 +1502,56 @@ kickOutRewritable new_fr new_tv
                                              `andCts` insols_out)
                     , wl_implics = emptyBag }
 
-    (tv_eqs_out, tv_eqs_in) = foldVarEnv kick_out_eqs ([], emptyVarEnv) tv_eqs
+    (tv_eqs_out, tv_eqs_in) = foldDVarEnv kick_out_eqs ([], emptyDVarEnv) tv_eqs
     (feqs_out,   feqs_in)   = partitionFunEqs  kick_out_ct funeqmap
+           -- See Note [Kicking out CFunEqCan for fundeps]
     (dicts_out,  dicts_in)  = partitionDicts   kick_out_ct dictmap
-    (irs_out,    irs_in)    = partitionBag     kick_out_irred irreds
-    (insols_out, insols_in) = partitionBag     kick_out_ct    insols
-      -- Kick out even insolubles; see Note [Kick out insolubles]
+    (irs_out,    irs_in)    = partitionBag     kick_out_ct irreds
+    (insols_out, insols_in) = partitionBag     kick_out_ct insols
+      -- Kick out even insolubles: See Note [Rewrite insolubles]
 
-    can_rewrite :: CtEvidence -> Bool
-    can_rewrite = (new_fr `eqCanRewriteFR`) . ctEvFlavourRole
+    fr_may_rewrite :: CtFlavourRole -> Bool
+    fr_may_rewrite fs = new_fr `eqMayRewriteFR` fs
+        -- Can the new item rewrite the inert item?
 
     kick_out_ct :: Ct -> Bool
-    kick_out_ct ct = kick_out_ctev (ctEvidence ct)
-
-    kick_out_ctev :: CtEvidence -> Bool
-    kick_out_ctev ev =  can_rewrite ev
-                     && new_tv `elemVarSet` tyVarsOfType (ctEvPred ev)
-         -- See Note [Kicking out inert constraints]
-
-    kick_out_irred :: Ct -> Bool
-    kick_out_irred ct =  can_rewrite (cc_ev ct)
-                      && new_tv `elemVarSet` closeOverKinds (TcM.tyVarsOfCt ct)
-          -- See Note [Kicking out Irreds]
-
-    kick_out_eqs :: EqualCtList -> ([Ct], TyVarEnv EqualCtList)
-                 -> ([Ct], TyVarEnv EqualCtList)
+    -- Kick it out if the new CTyEqCan can rewrite the inert one
+    -- See Note [kickOutRewritable]
+    kick_out_ct ct | let ev = ctEvidence ct
+                   = fr_may_rewrite (ctEvFlavourRole ev)
+                   && anyRewritableTyVar False (== new_tv) (ctEvPred ev)
+                  -- False: ignore casts and coercions
+                  -- NB: this includes the fsk of a CFunEqCan.  It can't
+                  --     actually be rewritten, but we need to kick it out
+                  --     so we get to take advantage of injectivity
+                  -- See Note [Kicking out CFunEqCan for fundeps]
+
+    kick_out_eqs :: EqualCtList -> ([Ct], DTyVarEnv EqualCtList)
+                 -> ([Ct], DTyVarEnv EqualCtList)
     kick_out_eqs eqs (acc_out, acc_in)
       = (eqs_out ++ acc_out, case eqs_in of
                                []      -> acc_in
-                               (eq1:_) -> extendVarEnv acc_in (cc_tyvar eq1) eqs_in)
+                               (eq1:_) -> extendDVarEnv acc_in (cc_tyvar eq1) eqs_in)
       where
         (eqs_in, eqs_out) = partition keep_eq eqs
 
-    -- implements criteria K1-K3 in Note [The inert equalities] in TcFlatten
+    -- Implements criteria K1-K3 in Note [Extending the inert equalities]
     keep_eq (CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_rhs = rhs_ty, cc_ev = ev
                       , cc_eq_rel = eq_rel })
       | tv == new_tv
-      = not (can_rewrite ev)  -- (K1)
+      = not (fr_may_rewrite fs)  -- (K1)
 
       | otherwise
       = check_k2 && check_k3
       where
-        ev_fr = ctEvFlavourRole ev
-        check_k2 = not (ev_fr  `eqCanRewriteFR` ev_fr)
-                || not (new_fr `eqCanRewriteFR` ev_fr)
-                ||     (ev_fr  `eqCanRewriteFR` new_fr)
-                || not (new_tv `elemVarSet` tyVarsOfType rhs_ty)
+        fs = ctEvFlavourRole ev
+        check_k2 = not (fs  `eqMayRewriteFR` fs)                   -- (K2a)
+                ||     (fs  `eqMayRewriteFR` new_fr)               -- (K2b)
+                || not (fr_may_rewrite  fs)                        -- (K2c)
+                || not (new_tv `elemVarSet` tyCoVarsOfType rhs_ty) -- (K2d)
 
         check_k3
-          | new_fr `eqCanRewriteFR` ev_fr
+          | fr_may_rewrite fs
           = case eq_rel of
               NomEq  -> not (rhs_ty `eqType` mkTyVarTy new_tv)
               ReprEq -> not (isTyVarExposed new_tv rhs_ty)
@@ -1351,80 +1564,65 @@ kickOutRewritable new_fr new_tv
 kickOutAfterUnification :: TcTyVar -> TcS Int
 kickOutAfterUnification new_tv
   = do { ics <- getInertCans
-       ; let (kicked_out1, ics1) = kickOutModel new_tv ics
-             (kicked_out2, ics2) = kickOutRewritable (Given,NomEq) new_tv ics1
+       ; (n_kicked, ics2) <- kickOutRewritable (Given,NomEq)
+                                                 new_tv ics
                      -- Given because the tv := xi is given; NomEq because
                      -- only nominal equalities are solved by unification
-             kicked_out = appendWorkList kicked_out1 kicked_out2
+
        ; setInertCans ics2
-       ; updWorkListTcS (appendWorkList kicked_out)
-
-       ; unless (isEmptyWorkList kicked_out) $
-         csTraceTcS $
-         hang (ptext (sLit "Kick out (unify), tv =") <+> ppr new_tv)
-            2 (vcat [ text "n-kicked =" <+> int (workListSize kicked_out)
-                    , text "kicked_out =" <+> ppr kicked_out
-                    , text "Residual inerts =" <+> ppr ics2 ])
-       ; return (workListSize kicked_out) }
-
-kickOutModel :: TcTyVar -> InertCans -> (WorkList, InertCans)
-kickOutModel new_tv ics@(IC { inert_model = model, inert_eqs = eqs })
-  = (foldVarEnv add emptyWorkList der_out, ics { inert_model = new_model })
-  where
-    (der_out, new_model) = partitionVarEnv kick_out_der model
+       ; return n_kicked }
+
+{- Note [kickOutRewritable]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+See also Note [inert_eqs: the inert equalities].
 
-    kick_out_der :: Ct -> Bool
-    kick_out_der (CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_rhs = rhs })
-      = new_tv == tv || new_tv `elemVarSet` tyVarsOfType rhs
-    kick_out_der _ = False
+When we add a new inert equality (a ~N ty) to the inert set,
+we must kick out any inert items that could be rewritten by the
+new equality, to maintain the inert-set invariants.
 
-    add :: Ct -> WorkList -> WorkList
-    -- Don't kick out a Derived if there is a Given or Wanted with
-    -- the same predicate.  The model is just a shadow copy, and the
-    -- Given/Wanted will serve the purpose.
-    add (CTyEqCan { cc_ev = ev, cc_tyvar = tv, cc_rhs = rhs }) wl
-      | not (isInInertEqs eqs tv rhs) = extendWorkListDerived (ctEvLoc ev) ev wl
-    add _ wl                          = wl
+  - We want to kick out an existing inert constraint if
+    a) the new constraint can rewrite the inert one
+    b) 'a' is free in the inert constraint (so that it *will*)
+       rewrite it if we kick it out.
 
-{-
-Note [Kicking out inert constraints]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-Given a new (a -> ty) inert, we want to kick out an existing inert
-constraint if
-  a) the new constraint can rewrite the inert one
-  b) 'a' is free in the inert constraint (so that it *will*)
-     rewrite it if we kick it out.
-
-For (b) we use tyVarsOfCt, which returns the type variables /and
-the kind variables/ that are directly visible in the type. Hence we
-will have exposed all the rewriting we care about to make the most
-precise kinds visible for matching classes etc. No need to kick out
-constraints that mention type variables whose kinds contain this
-variable!  (Except see Note [Kicking out Irreds].)
-
-Note [Kicking out Irreds]
+    For (b) we use tyCoVarsOfCt, which returns the type variables /and
+    the kind variables/ that are directly visible in the type. Hence
+    we will have exposed all the rewriting we care about to make the
+    most precise kinds visible for matching classes etc. No need to
+    kick out constraints that mention type variables whose kinds
+    contain this variable!
+
+  - A Derived equality can kick out [D] constraints in inert_eqs,
+    inert_dicts, inert_irreds etc.
+
+  - We don't kick out constraints from inert_solved_dicts, and
+    inert_solved_funeqs optimistically. But when we lookup we have to
+    take the substitution into account
+
+
+Note [Rewrite insolubles]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-There is an awkward special case for Irreds.  When we have a
-kind-mis-matched equality constraint (a:k1) ~ (ty:k2), we turn it into
-an Irred (see Note [Equalities with incompatible kinds] in
-TcCanonical). So in this case the free kind variables of k1 and k2
-are not visible.  More precisely, the type looks like
-   (~) k1 (a:k1) (ty:k2)
-because (~) has kind forall k. k -> k -> Constraint.  So the constraint
-itself is ill-kinded.  We can "see" k1 but not k2.  That's why we use
-closeOverKinds to make sure we see k2.
-
-This is not pretty. Maybe (~) should have kind
-   (~) :: forall k1 k1. k1 -> k2 -> Constraint
-
-Note [Kick out insolubles]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 Suppose we have an insoluble alpha ~ [alpha], which is insoluble
-because an occurs check.  And then we unify alpha := [Int].
-Then we really want to rewrite the insoluble to [Int] ~ [[Int]].
-Now it can be decomposed.  Otherwise we end up with a "Can't match
-[Int] ~ [[Int]]" which is true, but a bit confusing because the
-outer type constructors match.
+because an occurs check.  And then we unify alpha := [Int].  Then we
+really want to rewrite the insoluble to [Int] ~ [[Int]].  Now it can
+be decomposed.  Otherwise we end up with a "Can't match [Int] ~
+[[Int]]" which is true, but a bit confusing because the outer type
+constructors match.
+
+Similarly, if we have a CHoleCan, we'd like to rewrite it with any
+Givens, to give as informative an error messasge as possible
+(Trac #12468, #11325).
+
+Hence:
+ * In the main simlifier loops in TcSimplify (solveWanteds,
+   simpl_loop), we feed the insolubles in solveSimpleWanteds,
+   so that they get rewritten (albeit not solved).
+
+ * We kick insolubles out of the inert set, if they can be
+   rewritten (see TcSMonad.kick_out_rewritable)
+
+ * We rewrite those insolubles in TcCanonical.
+   See Note [Make sure that insolubles are fully rewritten]
 -}
 
 
@@ -1438,10 +1636,12 @@ addInertSafehask _ item
   = pprPanic "addInertSafehask: can't happen! Inserting " $ ppr item
 
 insertSafeOverlapFailureTcS :: Ct -> TcS ()
+-- See Note [Safe Haskell Overlapping Instances Implementation] in TcSimplify
 insertSafeOverlapFailureTcS item
   = updInertCans (\ics -> addInertSafehask ics item)
 
 getSafeOverlapFailures :: TcS Cts
+-- See Note [Safe Haskell Overlapping Instances Implementation] in TcSimplify
 getSafeOverlapFailures
  = do { IC { inert_safehask = safehask } <- getInertCans
       ; return $ foldDicts consCts safehask emptyCts }
@@ -1477,35 +1677,6 @@ getInertCans = do { inerts <- getTcSInerts; return (inert_cans inerts) }
 setInertCans :: InertCans -> TcS ()
 setInertCans ics = updInertTcS $ \ inerts -> inerts { inert_cans = ics }
 
-takeGivenInsolubles :: TcS Cts
--- See Note [The inert set after solving Givens]
-takeGivenInsolubles
-  = updRetInertCans $ \ cans ->
-    ( inert_insols cans
-    , cans { inert_insols = emptyBag
-           , inert_funeqs = filterFunEqs isGivenCt (inert_funeqs cans) } )
-
-{- Note [The inert set after solving Givens]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-After solving the Givens we take two things out of the inert set
-
-  a) The insolubles; we return these to report inaccessible code
-     We return these separately.  We don't want to leave them in
-     the inert set, lest we onfuse them with insolubles arising from
-     solving wanteds
-
-  b) Any Derived CFunEqCans.  Derived CTyEqCans are in the
-     inert_model and do no harm.  In contrast, Derived CFunEqCans
-     get mixed up with the Wanteds later and confuse the
-     post-solve-wanted unflattening (Trac #10507).
-     E.g.  From   [G] 1 <= m, [G] m <= n
-           We get [D] 1 <= n, and we must remove it!
-         Otherwise we unflatten it more then once, and assign
-         to its fmv more than once...disaster.
-     It's ok to remove them because they turned ont not to
-     yield an insoluble, and hence have now done their work.
--}
-
 updRetInertCans :: (InertCans -> (a, InertCans)) -> TcS a
 -- Modify the inert set with the supplied function
 updRetInertCans upd_fn
@@ -1540,12 +1711,11 @@ updInertIrreds :: (Cts -> Cts) -> TcS ()
 updInertIrreds upd_fn
   = updInertCans $ \ ics -> ics { inert_irreds = upd_fn (inert_irreds ics) }
 
-
-getInertEqs :: TcS (TyVarEnv EqualCtList)
+getInertEqs :: TcS (DTyVarEnv EqualCtList)
 getInertEqs = do { inert <- getInertCans; return (inert_eqs inert) }
 
-getInertModel :: TcS InertModel
-getInertModel = do { inert <- getInertCans; return (inert_model inert) }
+getInertInsols :: TcS Cts
+getInertInsols = do { inert <- getInertCans; return (inert_insols inert) }
 
 getInertGivens :: TcS [Ct]
 -- Returns the Given constraints in the inert set,
@@ -1554,14 +1724,40 @@ getInertGivens
   = do { inerts <- getInertCans
        ; let all_cts = foldDicts (:) (inert_dicts inerts)
                      $ foldFunEqs (:) (inert_funeqs inerts)
-                     $ concat (varEnvElts (inert_eqs inerts))
+                     $ concat (dVarEnvElts (inert_eqs inerts))
        ; return (filter isGivenCt all_cts) }
 
+getPendingScDicts :: TcS [Ct]
+-- Find all inert Given dictionaries whose cc_pend_sc flag is True
+-- Set the flag to False in the inert set, and return that Ct
+getPendingScDicts = updRetInertCans get_sc_dicts
+  where
+    get_sc_dicts ic@(IC { inert_dicts = dicts })
+      = (sc_pend_dicts, ic')
+      where
+        ic' = ic { inert_dicts = foldr add dicts sc_pend_dicts }
+
+        sc_pend_dicts :: [Ct]
+        sc_pend_dicts = foldDicts get_pending dicts []
+
+    get_pending :: Ct -> [Ct] -> [Ct]  -- Get dicts with cc_pend_sc = True
+                                       -- but flipping the flag
+    get_pending dict dicts
+        | Just dict' <- isPendingScDict dict = dict' : dicts
+        | otherwise                          = dicts
+
+    add :: Ct -> DictMap Ct -> DictMap Ct
+    add ct@(CDictCan { cc_class = cls, cc_tyargs = tys }) dicts
+        = addDict dicts cls tys ct
+    add ct _ = pprPanic "getPendingScDicts" (ppr ct)
+
 getUnsolvedInerts :: TcS ( Bag Implication
                          , Cts     -- Tyvar eqs: a ~ ty
                          , Cts     -- Fun eqs:   F a ~ ty
                          , Cts     -- Insoluble
                          , Cts )   -- All others
+-- Return all the unsolved [Wanted] or [Derived] constraints
+--
 -- Post-condition: the returned simple constraints are all fully zonked
 --                     (because they come from the inert set)
 --                 the unsolved implics may not be
@@ -1571,42 +1767,46 @@ getUnsolvedInerts
            , inert_irreds = irreds
            , inert_dicts  = idicts
            , inert_insols = insols
-           , inert_model  = model } <- getInertCans
+           } <- getInertCans
 
-      ; let der_tv_eqs       = foldVarEnv (add_der tv_eqs) emptyCts model  -- Want to float these
-            unsolved_tv_eqs  = foldTyEqs add_if_unsolved tv_eqs der_tv_eqs
-            unsolved_fun_eqs = foldFunEqs add_if_unsolved fun_eqs emptyCts
+      ; let unsolved_tv_eqs  = foldTyEqs add_if_unsolved tv_eqs emptyCts
+            unsolved_fun_eqs = foldFunEqs add_if_wanted fun_eqs emptyCts
             unsolved_irreds  = Bag.filterBag is_unsolved irreds
             unsolved_dicts   = foldDicts add_if_unsolved idicts emptyCts
-            others           = unsolved_irreds `unionBags` unsolved_dicts
+            unsolved_others  = unsolved_irreds `unionBags` unsolved_dicts
+            unsolved_insols  = filterBag is_unsolved insols
 
       ; implics <- getWorkListImplics
 
       ; traceTcS "getUnsolvedInerts" $
         vcat [ text " tv eqs =" <+> ppr unsolved_tv_eqs
              , text "fun eqs =" <+> ppr unsolved_fun_eqs
-             , text "insols =" <+> ppr insols
-             , text "others =" <+> ppr others
+             , text "insols =" <+> ppr unsolved_insols
+             , text "others =" <+> ppr unsolved_others
              , text "implics =" <+> ppr implics ]
 
-      ; return ( implics, unsolved_tv_eqs, unsolved_fun_eqs, insols, others) }
-              -- Keep even the given insolubles
-              -- so that we can report dead GADT pattern match branches
+      ; return ( implics, unsolved_tv_eqs, unsolved_fun_eqs
+               , unsolved_insols, unsolved_others) }
   where
-    add_der tv_eqs ct cts
-       | CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_rhs = rhs } <- ct
-       , not (isInInertEqs tv_eqs tv rhs) = ct `consBag` cts
-       | otherwise                        = cts
     add_if_unsolved :: Ct -> Cts -> Cts
     add_if_unsolved ct cts | is_unsolved ct = ct `consCts` cts
                            | otherwise      = cts
 
     is_unsolved ct = not (isGivenCt ct)   -- Wanted or Derived
 
-isInInertEqs :: TyVarEnv EqualCtList -> TcTyVar -> TcType -> Bool
+    -- For CFunEqCans we ignore the Derived ones, and keep
+    -- only the Wanteds for flattening.  The Derived ones
+    -- share a unification variable with the corresponding
+    -- Wanted, so we definitely don't want to to participate
+    -- in unflattening
+    -- See Note [Type family equations]
+    add_if_wanted ct cts | isWantedCt ct = ct `consCts` cts
+                         | otherwise     = cts
+
+isInInertEqs :: DTyVarEnv EqualCtList -> TcTyVar -> TcType -> Bool
 -- True if (a ~N ty) is in the inert set, in either Given or Wanted
 isInInertEqs eqs tv rhs
-  = case lookupVarEnv eqs tv of
+  = case lookupDVarEnv eqs tv of
       Nothing  -> False
       Just cts -> any (same_pred rhs) cts
   where
@@ -1616,44 +1816,40 @@ isInInertEqs eqs tv rhs
       , rhs `eqType` rhs2 = True
       | otherwise         = False
 
-getNoGivenEqs :: TcLevel     -- TcLevel of this implication
+getNoGivenEqs :: TcLevel          -- TcLevel of this implication
                -> [TcTyVar]       -- Skolems of this implication
-               -> TcS Bool        -- True <=> definitely no residual given equalities
+               -> TcS ( Bool      -- True <=> definitely no residual given equalities
+                      , Cts )     -- Insoluble constraints arising from givens
 -- See Note [When does an implication have given equalities?]
 getNoGivenEqs tclvl skol_tvs
-  = do { inerts@(IC { inert_eqs = ieqs, inert_irreds = iirreds, inert_funeqs = funeqs })
-             <- getInertCans
-       ; let local_fsks = foldFunEqs add_fsk funeqs emptyVarSet
-
-             has_given_eqs = foldrBag ((||) . ev_given_here . ctEvidence)  False iirreds
-                          || foldVarEnv ((||) . eqs_given_here local_fsks) False ieqs
-
-       ; traceTcS "getNoGivenEqs" (vcat [ppr has_given_eqs, ppr inerts])
-       ; return (not has_given_eqs) }
+  = do { inerts@(IC { inert_eqs = ieqs, inert_irreds = iirreds
+                    , inert_insols = insols })
+              <- getInertCans
+       ; let has_given_eqs = foldrBag ((||) . ev_given_here . ctEvidence) False
+                                      (iirreds `unionBags` insols)
+                          || anyDVarEnv eqs_given_here ieqs
+
+       ; traceTcS "getNoGivenEqs" (vcat [ ppr has_given_eqs, ppr inerts
+                                        , ppr insols])
+       ; return (not has_given_eqs, insols) }
   where
-    eqs_given_here :: VarSet -> EqualCtList -> Bool
-    eqs_given_here local_fsks [CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_ev = ev }]
+    eqs_given_here :: EqualCtList -> Bool
+    eqs_given_here [CTyEqCan { cc_tyvar = tv, cc_ev = ev }]
                               -- Givens are always a sigleton
-      = not (skolem_bound_here local_fsks tv) && ev_given_here ev
-    eqs_given_here _ = False
+      = not (skolem_bound_here tv) && ev_given_here ev
+    eqs_given_here _ = False
 
     ev_given_here :: CtEvidence -> Bool
-    -- True for a Given bound by the curent implication,
+    -- True for a Given bound by the current implication,
     -- i.e. the current level
     ev_given_here ev
       =  isGiven ev
       && tclvl == ctLocLevel (ctEvLoc ev)
 
-    add_fsk :: Ct -> VarSet -> VarSet
-    add_fsk ct fsks | CFunEqCan { cc_fsk = tv, cc_ev = ev } <- ct
-                    , isGiven ev = extendVarSet fsks tv
-                    | otherwise  = fsks
-
     skol_tv_set = mkVarSet skol_tvs
-    skolem_bound_here local_fsks tv -- See Note [Let-bound skolems]
+    skolem_bound_here tv -- See Note [Let-bound skolems]
       = case tcTyVarDetails tv of
           SkolemTv {} -> tv `elemVarSet` skol_tv_set
-          FlatSkol {} -> not (tv `elemVarSet` local_fsks)
           _           -> False
 
 -- | Returns Given constraints that might,
@@ -1693,9 +1889,11 @@ matchableGivens loc_w pred (IS { inert_cans = inert_cans })
     -- bindable when unifying with givens. That ensures that we
     -- conservatively assume that a meta tyvar might get unified with
     -- something that matches the 'given', until demonstrated
-    -- otherwise.
-    bind_meta_tv tv | isMetaTyVar tv = BindMe
-                    | otherwise      = Skolem
+    -- otherwise.  More info in Note [Instance and Given overlap]
+    -- in TcInteract
+    bind_meta_tv tv | isMetaTyVar tv
+                    , not (isFskTyVar tv) = BindMe
+                    | otherwise           = Skolem
 
 prohibitedSuperClassSolve :: CtLoc -> CtLoc -> Bool
 -- See Note [Solving superclass constraints] in TcInstDcls
@@ -1706,7 +1904,13 @@ prohibitedSuperClassSolve from_loc solve_loc
   | otherwise
   = False
 
-{-
+{- Note [Unsolved Derived equalities]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+In getUnsolvedInerts, we return a derived equality from the inert_eqs
+because it is a candidate for floating out of this implication.  We
+only float equalities with a meta-tyvar on the left, so we only pull
+those out here.
+
 Note [When does an implication have given equalities?]
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 Consider an implication
@@ -1801,38 +2005,43 @@ lookupFlatCache fam_tc tys
                              lookup_flats flat_cache]) }
   where
     lookup_inerts inert_funeqs
-      | Just (CFunEqCan { cc_ev = ctev, cc_fsk = fsk })
-           <- findFunEqs inert_funeqs fam_tc tys
+      | Just (CFunEqCan { cc_ev = ctev, cc_fsk = fsk, cc_tyargs = xis })
+           <- findFunEq inert_funeqs fam_tc tys
+      , tys `eqTypes` xis   -- The lookup might find a near-match; see
+                            -- Note [Use loose types in inert set]
       = Just (ctEvCoercion ctev, mkTyVarTy fsk, ctEvFlavour ctev)
       | otherwise = Nothing
 
-    lookup_flats flat_cache = findFunEq flat_cache fam_tc tys
+    lookup_flats flat_cache = findExactFunEq flat_cache fam_tc tys
 
 
-lookupInInerts :: TcPredType -> TcS (Maybe CtEvidence)
+lookupInInerts :: CtLoc -> TcPredType -> TcS (Maybe CtEvidence)
 -- Is this exact predicate type cached in the solved or canonicals of the InertSet?
-lookupInInerts pty
+lookupInInerts loc pty
   | ClassPred cls tys <- classifyPredType pty
   = do { inerts <- getTcSInerts
-       ; return (lookupSolvedDict inerts cls tys `mplus`
-                 lookupInertDict (inert_cans inerts) cls tys) }
+       ; return (lookupSolvedDict inerts loc cls tys `mplus`
+                 lookupInertDict (inert_cans inerts) loc cls tys) }
   | otherwise -- NB: No caching for equalities, IPs, holes, or errors
   = return Nothing
 
-lookupInertDict :: InertCans -> Class -> [Type] -> Maybe CtEvidence
-lookupInertDict (IC { inert_dicts = dicts }) cls tys
-  = case findDict dicts cls tys of
+-- | Look up a dictionary inert. NB: the returned 'CtEvidence' might not
+-- match the input exactly. Note [Use loose types in inert set].
+lookupInertDict :: InertCans -> CtLoc -> Class -> [Type] -> Maybe CtEvidence
+lookupInertDict (IC { inert_dicts = dicts }) loc cls tys
+  = case findDict dicts loc cls tys of
       Just ct -> Just (ctEvidence ct)
       _       -> Nothing
 
-lookupSolvedDict :: InertSet -> Class -> [Type] -> Maybe CtEvidence
+-- | Look up a solved inert. NB: the returned 'CtEvidence' might not
+-- match the input exactly. See Note [Use loose types in inert set].
+lookupSolvedDict :: InertSet -> CtLoc -> Class -> [Type] -> Maybe CtEvidence
 -- Returns just if exactly this predicate type exists in the solved.
-lookupSolvedDict (IS { inert_solved_dicts = solved }) cls tys
-  = case findDict solved cls tys of
+lookupSolvedDict (IS { inert_solved_dicts = solved }) loc cls tys
+  = case findDict solved loc cls tys of
       Just ev -> Just ev
       _       -> Nothing
 
-
 {- *********************************************************************
 *                                                                      *
                    Irreds
@@ -1845,74 +2054,53 @@ foldIrreds k irreds z = foldrBag k z irreds
 
 {- *********************************************************************
 *                                                                      *
-                   Type equalities
+                   TcAppMap
 *                                                                      *
-********************************************************************* -}
+************************************************************************
 
-type EqualCtList = [Ct]
+Note [Use loose types in inert set]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Say we know (Eq (a |> c1)) and we need (Eq (a |> c2)). One is clearly
+solvable from the other. So, we do lookup in the inert set using
+loose types, which omit the kind-check.
 
-{- Note [EqualCtList invariants]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-    * All are equalities
-    * All these equalities have the same LHS
-    * The list is never empty
-    * No element of the list can rewrite any other
+We must be careful when using the result of a lookup because it may
+not match the requested info exactly!
 
- From the fourth invariant it follows that the list is
-   - A single Given, or
-   - Any number of Wanteds and/or Deriveds
 -}
 
-addTyEq :: TyVarEnv EqualCtList -> TcTyVar -> Ct -> TyVarEnv EqualCtList
-addTyEq old_list tv it = extendVarEnv_C (\old_eqs _new_eqs -> it : old_eqs)
-                                        old_list tv [it]
-
-foldTyEqs :: (Ct -> b -> b) -> TyVarEnv EqualCtList -> b -> b
-foldTyEqs k eqs z
-  = foldVarEnv (\cts z -> foldr k z cts) z eqs
-
-findTyEqs :: InertCans -> TyVar -> EqualCtList
-findTyEqs icans tv = lookupVarEnv (inert_eqs icans) tv `orElse` []
-
-delTyEq :: TyVarEnv EqualCtList -> TcTyVar -> TcType -> TyVarEnv EqualCtList
-delTyEq m tv t = modifyVarEnv (filter (not . isThisOne)) m tv
-  where isThisOne (CTyEqCan { cc_rhs = t1 }) = eqType t t1
-        isThisOne _                          = False
-
-{- *********************************************************************
-*                                                                      *
-                   TcAppMap
-*                                                                      *
-********************************************************************* -}
-
-type TcAppMap a = UniqFM (ListMap TypeMap a)
-    -- Indexed by tycon then the arg types
-    -- Used for types and classes; hence UniqFM
+type TcAppMap a = UniqDFM (ListMap LooseTypeMap a)
+    -- Indexed by tycon then the arg types, using "loose" matching, where
+    -- we don't require kind equality. This allows, for example, (a |> co)
+    -- to match (a).
+    -- See Note [Use loose types in inert set]
+    -- Used for types and classes; hence UniqDFM
+    -- See Note [foldTM determinism] for why we use UniqDFM here
 
 isEmptyTcAppMap :: TcAppMap a -> Bool
-isEmptyTcAppMap m = isNullUFM m
+isEmptyTcAppMap m = isNullUDFM m
 
 emptyTcAppMap :: TcAppMap a
-emptyTcAppMap = emptyUFM
+emptyTcAppMap = emptyUDFM
 
 findTcApp :: TcAppMap a -> Unique -> [Type] -> Maybe a
-findTcApp m u tys = do { tys_map <- lookupUFM m u
+findTcApp m u tys = do { tys_map <- lookupUDFM m u
                        ; lookupTM tys tys_map }
 
 delTcApp :: TcAppMap a -> Unique -> [Type] -> TcAppMap a
-delTcApp m cls tys = adjustUFM (deleteTM tys) m cls
+delTcApp m cls tys = adjustUDFM (deleteTM tys) m cls
 
 insertTcApp :: TcAppMap a -> Unique -> [Type] -> a -> TcAppMap a
-insertTcApp m cls tys ct = alterUFM alter_tm m cls
+insertTcApp m cls tys ct = alterUDFM alter_tm m cls
   where
     alter_tm mb_tm = Just (insertTM tys ct (mb_tm `orElse` emptyTM))
 
 -- mapTcApp :: (a->b) -> TcAppMap a -> TcAppMap b
--- mapTcApp f = mapUFM (mapTM f)
+-- mapTcApp f = mapUDFM (mapTM f)
 
 filterTcAppMap :: (Ct -> Bool) -> TcAppMap Ct -> TcAppMap Ct
 filterTcAppMap f m
-  = mapUFM do_tm m
+  = mapUDFM do_tm m
   where
     do_tm tm = foldTM insert_mb tm emptyTM
     insert_mb ct tm
@@ -1928,7 +2116,7 @@ tcAppMapToBag :: TcAppMap a -> Bag a
 tcAppMapToBag m = foldTcAppMap consBag m emptyBag
 
 foldTcAppMap :: (a -> b -> b) -> TcAppMap a -> b -> b
-foldTcAppMap k m z = foldUFM (foldTM k) z m
+foldTcAppMap k m z = foldUDFM (foldTM k) z m
 
 
 {- *********************************************************************
@@ -1937,20 +2125,70 @@ foldTcAppMap k m z = foldUFM (foldTM k) z m
 *                                                                      *
 ********************************************************************* -}
 
+
+{- Note [Tuples hiding implicit parameters]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Consider
+   f,g :: (?x::Int, C a) => a -> a
+   f v = let ?x = 4 in g v
+
+The call to 'g' gives rise to a Wanted contraint (?x::Int, C a).
+We must /not/ solve this from the Given (?x::Int, C a), because of
+the intervening binding for (?x::Int).  Trac #14218.
+
+We deal with this by arranging that we always fail when looking up a
+tuple constraint that hides an implicit parameter. Not that this applies
+  * both to the inert_dicts (lookupInertDict)
+  * and to the solved_dicts (looukpSolvedDict)
+An alternative would be not to extend these sets with such tuple
+constraints, but it seemed more direct to deal with the lookup.
+
+Note [Solving CallStack constraints]
+~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+Suppose f :: HasCallStack => blah.  Then
+
+* Each call to 'f' gives rise to
+    [W] s1 :: IP "callStack" CallStack    -- CtOrigin = OccurrenceOf f
+  with a CtOrigin that says "OccurrenceOf f".
+  Remember that HasCallStack is just shorthand for
+    IP "callStack CallStack
+  See Note [Overview of implicit CallStacks] in TcEvidence
+
+* We cannonicalise such constraints, in TcCanonical.canClassNC, by
+  pushing the call-site info on the stack, and changing the CtOrigin
+  to record that has been done.
+   Bind:  s1 = pushCallStack <site-info> s2
+   [W] s2 :: IP "callStack" CallStack   -- CtOrigin = IPOccOrigin
+
+* Then, and only then, we can solve the contraint from an enclosing
+  Given.
+
+So we must be careful /not/ to solve 's1' from the Givens.  Again,
+we ensure this by arranging that findDict always misses when looking
+up souch constraints.
+-}
+
 type DictMap a = TcAppMap a
 
 emptyDictMap :: DictMap a
 emptyDictMap = emptyTcAppMap
 
--- sizeDictMap :: DictMap a -> Int
--- sizeDictMap m = foldDicts (\ _ x -> x+1) m 0
+findDict :: DictMap a -> CtLoc -> Class -> [Type] -> Maybe a
+findDict m loc cls tys
+  | isCTupleClass cls
+  , any hasIPPred tys   -- See Note [Tuples hiding implicit parameters]
+  = Nothing
+
+  | Just {} <- isCallStackPred cls tys
+  , OccurrenceOf {} <- ctLocOrigin loc
+  = Nothing             -- See Note [Solving CallStack constraints]
 
-findDict :: DictMap a -> Class -> [Type] -> Maybe a
-findDict m cls tys = findTcApp m (getUnique cls) tys
+  | otherwise
+  = findTcApp m (getUnique cls) tys
 
 findDictsByClass :: DictMap a -> Class -> Bag a
 findDictsByClass m cls
-  | Just tm <- lookupUFM m cls = foldTM consBag tm emptyBag
+  | Just tm <- lookupUDFM m cls = foldTM consBag tm emptyBag
   | otherwise                  = emptyBag
 
 delDict :: DictMap a -> Class -> [Type] -> DictMap a
@@ -1961,7 +2199,7 @@ addDict m cls tys item = insertTcApp m (getUnique cls) tys item
 
 addDictsByClass :: DictMap Ct -> Class -> Bag Ct -> DictMap Ct
 addDictsByClass m cls items
-  = addToUFM m cls (foldrBag add emptyTM items)
+  = addToUDFM m cls (foldrBag add emptyTM items)
   where
     add ct@(CDictCan { cc_tyargs = tys }) tm = insertTM tys ct tm
     add ct _ = pprPanic "addDictsByClass" (ppr ct)
@@ -1999,15 +2237,9 @@ type FunEqMap a = TcAppMap a  -- A map whose key is a (TyCon, [Type]) pair
 emptyFunEqs :: TcAppMap a
 emptyFunEqs = emptyTcAppMap
 
-sizeFunEqMap :: FunEqMap a -> Int
-sizeFunEqMap m = foldFunEqs (\ _ x -> x+1) m 0
-
 findFunEq :: FunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> Maybe a
 findFunEq m tc tys = findTcApp m (getUnique tc) tys
 
-findFunEqs :: FunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> Maybe a
-findFunEqs m tc tys = findTcApp m (getUnique tc) tys
-
 funEqsToBag :: FunEqMap a -> Bag a
 funEqsToBag m = foldTcAppMap consBag m emptyBag
 
@@ -2017,7 +2249,7 @@ findFunEqsByTyCon :: FunEqMap a -> TyCon -> [a]
 -- We use this to check for derived interactions with built-in type-function
 -- constructors.
 findFunEqsByTyCon m tc
-  | Just tm <- lookupUFM m tc = foldTM (:) tm []
+  | Just tm <- lookupUDFM m tc = foldTM (:) tm []
   | otherwise                 = []
 
 foldFunEqs :: (a -> b -> b) -> FunEqMap a -> b -> b
@@ -2026,17 +2258,12 @@ foldFunEqs = foldTcAppMap
 -- mapFunEqs :: (a -> b) -> FunEqMap a -> FunEqMap b
 -- mapFunEqs = mapTcApp
 
-filterFunEqs :: (Ct -> Bool) -> FunEqMap Ct -> FunEqMap Ct
-filterFunEqs = filterTcAppMap
+-- filterFunEqs :: (Ct -> Bool) -> FunEqMap Ct -> FunEqMap Ct
+-- filterFunEqs = filterTcAppMap
 
 insertFunEq :: FunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> a -> FunEqMap a
 insertFunEq m tc tys val = insertTcApp m (getUnique tc) tys val
 
--- insertFunEqCt :: FunEqMap Ct -> Ct -> FunEqMap Ct
--- insertFunEqCt m ct@(CFunEqCan { cc_fun = tc, cc_tyargs = tys })
---  = insertFunEq m tc tys ct
--- insertFunEqCt _ ct = pprPanic "insertFunEqCt" (ppr ct)
-
 partitionFunEqs :: (Ct -> Bool) -> FunEqMap Ct -> ([Ct], FunEqMap Ct)
 -- Optimise for the case where the predicate is false
 -- partitionFunEqs is called only from kick-out, and kick-out usually
@@ -2053,6 +2280,20 @@ partitionFunEqs f m = (yeses, foldr del m yeses)
 delFunEq :: FunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> FunEqMap a
 delFunEq m tc tys = delTcApp m (getUnique tc) tys
 
+------------------------------
+type ExactFunEqMap a = UniqFM (ListMap TypeMap a)
+
+emptyExactFunEqs :: ExactFunEqMap a
+emptyExactFunEqs = emptyUFM
+
+findExactFunEq :: ExactFunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> Maybe a
+findExactFunEq m tc tys = do { tys_map <- lookupUFM m (getUnique tc)
+                             ; lookupTM tys tys_map }
+
+insertExactFunEq :: ExactFunEqMap a -> TyCon -> [Type] -> a -> ExactFunEqMap a
+insertExactFunEq m tc tys val = alterUFM alter_tm m (getUnique tc)
+  where alter_tm mb_tm = Just (insertTM tys val (mb_tm `orElse` emptyTM))
+
 {-
 ************************************************************************
 *                                                                      *
@@ -2078,11 +2319,11 @@ data TcSEnv
   = TcSEnv {
       tcs_ev_binds    :: EvBindsVar,
 
-      tcs_unified :: IORef Int,
-          -- The number of unification variables we have filled
-          -- The important thing is whether it is non-zero
+      tcs_unified     :: IORef Int,
+         -- The number of unification variables we have filled
+         -- The important thing is whether it is non-zero
 
-      tcs_count    :: IORef Int, -- Global step count
+      tcs_count     :: IORef Int, -- Global step count
 
       tcs_inerts    :: IORef InertSet, -- Current inert set
 
@@ -2098,14 +2339,16 @@ instance Functor TcS where
   fmap f m = TcS $ fmap f . unTcS m
 
 instance Applicative TcS where
-  pure  = return
+  pure x = TcS (\_ -> return x)
   (<*>) = ap
 
 instance Monad TcS where
-  return x  = TcS (\_ -> return x)
-  fail err  = TcS (\_ -> fail err)
+  fail = MonadFail.fail
   m >>= k   = TcS (\ebs -> unTcS m ebs >>= \r -> unTcS (k r) ebs)
 
+instance MonadFail.MonadFail TcS where
+  fail err  = TcS (\_ -> fail err)
+
 instance MonadUnique TcS where
    getUniqueSupplyM = wrapTcS getUniqueSupplyM
 
@@ -2127,15 +2370,19 @@ wrapWarnTcS :: TcM a -> TcS a
 -- There's no static check; it's up to the user
 wrapWarnTcS = wrapTcS
 
-failTcS, panicTcS :: SDoc -> TcS a
+failTcS, panicTcS  :: SDoc -> TcS a
+warnTcS   :: WarningFlag -> SDoc -> TcS ()
+addErrTcS :: SDoc -> TcS ()
 failTcS      = wrapTcS . TcM.failWith
+warnTcS flag = wrapTcS . TcM.addWarn (Reason flag)
+addErrTcS    = wrapTcS . TcM.addErr
 panicTcS doc = pprPanic "TcCanonical" doc
 
 traceTcS :: String -> SDoc -> TcS ()
 traceTcS herald doc = wrapTcS (TcM.traceTc herald doc)
 
 runTcPluginTcS :: TcPluginM a -> TcS a
-runTcPluginTcS m = wrapTcS . runTcPluginM m . Just =<< getTcEvBinds
+runTcPluginTcS m = wrapTcS . runTcPluginM m =<< getTcEvBindsVar
 
 instance HasDynFlags TcS where
     getDynFlags = wrapTcS getDynFlags
@@ -2150,70 +2397,85 @@ bumpStepCountTcS = TcS $ \env -> do { let ref = tcs_count env
 
 csTraceTcS :: SDoc -> TcS ()
 csTraceTcS doc
-  = wrapTcS $ csTraceTcM (return doc)
+  = wrapTcS $ csTraceTcM (return doc)
 
 traceFireTcS :: CtEvidence -> SDoc -> TcS ()
 -- Dump a rule-firing trace
 traceFireTcS ev doc
-  = TcS $ \env -> csTraceTcM $
+  = TcS $ \env -> csTraceTcM $
     do { n <- TcM.readTcRef (tcs_count env)
        ; tclvl <- TcM.getTcLevel
-       ; return (hang (int n <> brackets (ptext (sLit "U:") <> ppr tclvl
-                                          <> ppr (ctLocDepth (ctEvLoc ev)))
+       ; return (hang (text "Step" <+> int n
+                       <> brackets (text "l:" <> ppr tclvl <> comma <>
+                                    text "d:" <> ppr (ctLocDepth (ctEvLoc ev)))
                        <+> doc <> colon)
                      4 (ppr ev)) }
 
-csTraceTcM :: Int -> TcM SDoc -> TcM ()
+csTraceTcM :: TcM SDoc -> TcM ()
 -- Constraint-solver tracing, -ddump-cs-trace
-csTraceTcM trace_level mk_doc
+csTraceTcM mk_doc
   = do { dflags <- getDynFlags
-       ; when (  (dopt Opt_D_dump_cs_trace dflags || dopt Opt_D_dump_tc_trace dflags)
-              && trace_level <= traceLevel dflags ) $
-         do { msg <- mk_doc
-            ; TcM.traceTcRn Opt_D_dump_cs_trace msg } }
+       ; when (  dopt Opt_D_dump_cs_trace dflags
+                  || dopt Opt_D_dump_tc_trace dflags )
+              ( do { msg <- mk_doc
+                   ; TcM.traceTcRn Opt_D_dump_cs_trace msg }) }
 
 runTcS :: TcS a                -- What to run
-       -> TcM (a, Bag EvBind)
+       -> TcM (a, EvBindMap)
 runTcS tcs
   = do { ev_binds_var <- TcM.newTcEvBinds
        ; res <- runTcSWithEvBinds ev_binds_var tcs
-       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBinds ev_binds_var
+       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBindsMap ev_binds_var
        ; return (res, ev_binds) }
 
+-- | This variant of 'runTcS' will keep solving, even when only Deriveds
+-- are left around. It also doesn't return any evidence, as callers won't
+-- need it.
+runTcSDeriveds :: TcS a -> TcM a
+runTcSDeriveds tcs
+  = do { ev_binds_var <- TcM.newTcEvBinds
+       ; runTcSWithEvBinds ev_binds_var tcs }
+
+-- | This can deal only with equality constraints.
+runTcSEqualities :: TcS a -> TcM a
+runTcSEqualities thing_inside
+  = do { ev_binds_var <- TcM.newTcEvBinds
+       ; runTcSWithEvBinds ev_binds_var thing_inside }
+
 runTcSWithEvBinds :: EvBindsVar
                   -> TcS a
                   -> TcM a
 runTcSWithEvBinds ev_binds_var tcs
   = do { unified_var <- TcM.newTcRef 0
        ; step_count <- TcM.newTcRef 0
-       ; inert_var <- TcM.newTcRef is
+       ; inert_var <- TcM.newTcRef emptyInert
        ; wl_var <- TcM.newTcRef emptyWorkList
-
-       ; let env = TcSEnv { tcs_ev_binds  = ev_binds_var
-                          , tcs_unified   = unified_var
-                          , tcs_count     = step_count
-                          , tcs_inerts    = inert_var
-                          , tcs_worklist  = wl_var }
+       ; let env = TcSEnv { tcs_ev_binds      = ev_binds_var
+                          , tcs_unified       = unified_var
+                          , tcs_count         = step_count
+                          , tcs_inerts        = inert_var
+                          , tcs_worklist      = wl_var }
 
              -- Run the computation
        ; res <- unTcS tcs env
 
        ; count <- TcM.readTcRef step_count
        ; when (count > 0) $
-         csTraceTcM 0 $ return (ptext (sLit "Constraint solver steps =") <+> int count)
+         csTraceTcM $ return (text "Constraint solver steps =" <+> int count)
+
+       ; unflattenGivens inert_var
 
-#ifdef DEBUG
-       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBinds ev_binds_var
+#if defined(DEBUG)
+       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBindsMap ev_binds_var
        ; checkForCyclicBinds ev_binds
 #endif
 
        ; return res }
-  where
-    is = emptyInert
 
-#ifdef DEBUG
-checkForCyclicBinds :: Bag EvBind -> TcM ()
-checkForCyclicBinds ev_binds
+----------------------------
+#if defined(DEBUG)
+checkForCyclicBinds :: EvBindMap -> TcM ()
+checkForCyclicBinds ev_binds_map
   | null cycles
   = return ()
   | null coercion_cycles
@@ -2221,41 +2483,57 @@ checkForCyclicBinds ev_binds
   | otherwise
   = pprPanic "Cycle in coercion bindings" $ ppr coercion_cycles
   where
+    ev_binds = evBindMapBinds ev_binds_map
+
     cycles :: [[EvBind]]
-    cycles = [c | CyclicSCC c <- stronglyConnCompFromEdgedVertices edges]
+    cycles = [c | CyclicSCC c <- stronglyConnCompFromEdgedVerticesUniq edges]
 
     coercion_cycles = [c | c <- cycles, any is_co_bind c]
-    is_co_bind (EvBind { eb_lhs = b }) = isEqVar b
-
-    edges :: [(EvBind, EvVar, [EvVar])]
-    edges = [(bind, bndr, varSetElems (evVarsOfTerm rhs))
-            | bind@(EvBind { eb_lhs = bndr, eb_rhs = rhs }) <- bagToList ev_binds]
+    is_co_bind (EvBind { eb_lhs = b }) = isEqPred (varType b)
+
+    edges :: [ Node EvVar EvBind ]
+    edges = [ DigraphNode bind bndr (nonDetEltsUniqSet (evVarsOfTerm rhs))
+            | bind@(EvBind { eb_lhs = bndr, eb_rhs = rhs}) <- bagToList ev_binds ]
+            -- It's OK to use nonDetEltsUFM here as
+            -- stronglyConnCompFromEdgedVertices is still deterministic even
+            -- if the edges are in nondeterministic order as explained in
+            -- Note [Deterministic SCC] in Digraph.
 #endif
 
-nestImplicTcS :: EvBindsVar -> TcLevel -> TcS a -> TcS a
+----------------------------
+setEvBindsTcS :: EvBindsVar -> TcS a -> TcS a
+setEvBindsTcS ref (TcS thing_inside)
+ = TcS $ \ env -> thing_inside (env { tcs_ev_binds = ref })
+
+nestImplicTcS :: EvBindsVar
+              -> TcLevel -> TcS a
+              -> TcS a
 nestImplicTcS ref inner_tclvl (TcS thing_inside)
-  = TcS $ \ TcSEnv { tcs_unified = unified_var
-                   , tcs_inerts = old_inert_var
-                   , tcs_count = count } ->
+  = TcS $ \ TcSEnv { tcs_unified       = unified_var
+                   , tcs_inerts        = old_inert_var
+                   , tcs_count         = count
+                   } ->
     do { inerts <- TcM.readTcRef old_inert_var
-       ; let nest_inert = inerts { inert_flat_cache = emptyFunEqs }
-                                   -- See Note [Do not inherit the flat cache]
+       ; let nest_inert = emptyInert { inert_cans         = inert_cans inerts
+                                     , inert_solved_dicts = inert_solved_dicts inerts }
+                          -- See Note [Do not inherit the flat cache]
        ; new_inert_var <- TcM.newTcRef nest_inert
        ; new_wl_var    <- TcM.newTcRef emptyWorkList
-       ; let nest_env = TcSEnv { tcs_ev_binds    = ref
-                               , tcs_unified     = unified_var
-                               , tcs_count       = count
-                               , tcs_inerts      = new_inert_var
-                               , tcs_worklist    = new_wl_var }
+       ; let nest_env = TcSEnv { tcs_ev_binds      = ref
+                               , tcs_unified       = unified_var
+                               , tcs_count         = count
+                               , tcs_inerts        = new_inert_var
+                               , tcs_worklist      = new_wl_var }
        ; res <- TcM.setTcLevel inner_tclvl $
                 thing_inside nest_env
 
-#ifdef DEBUG
+       ; unflattenGivens new_inert_var
+
+#if defined(DEBUG)
        -- Perform a check that the thing_inside did not cause cycles
-       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBinds ref
+       ; ev_binds <- TcM.getTcEvBindsMap ref
        ; checkForCyclicBinds ev_binds
 #endif
-
        ; return res }
 
 {- Note [Do not inherit the flat cache]
@@ -2270,17 +2548,11 @@ flattened out after solving the outer level, but and we don't
 do that flattening recursively.
 -}
 
-
-recoverTcS :: TcS a -> TcS a -> TcS a
-recoverTcS (TcS recovery_code) (TcS thing_inside)
-  = TcS $ \ env ->
-    TcM.recoverM (recovery_code env) (thing_inside env)
-
 nestTcS ::  TcS a -> TcS a
 -- Use the current untouchables, augmenting the current
 -- evidence bindings, and solved dictionaries
 -- But have no effect on the InertCans, or on the inert_flat_cache
---  (the latter because the thing inside a nestTcS does unflattening)
+-- (we want to inherit the latter from processing the Givens)
 nestTcS (TcS thing_inside)
   = TcS $ \ env@(TcSEnv { tcs_inerts = inerts_var }) ->
     do { inerts <- TcM.readTcRef inerts_var
@@ -2304,21 +2576,44 @@ nestTcS (TcS thing_inside)
 
        ; return res }
 
-tryTcS :: TcS a -> TcS a
--- Like runTcS, but from within the TcS monad
--- Completely fresh inerts and worklist, be careful!
--- Moreover, we will simply throw away all the evidence generated.
-tryTcS (TcS thing_inside)
-  = TcS $ \env ->
-    do { is_var <- TcM.newTcRef emptyInert
-       ; unified_var <- TcM.newTcRef 0
+buildImplication :: SkolemInfo
+                 -> [TcTyVar]        -- Skolems
+                 -> [EvVar]          -- Givens
+                 -> TcS result
+                 -> TcS (Bag Implication, TcEvBinds, result)
+-- Just like TcUnify.buildImplication, but in the TcS monnad,
+-- using the work-list to gather the constraints
+buildImplication skol_info skol_tvs givens (TcS thing_inside)
+  = TcS $ \ env ->
+    do { new_wl_var <- TcM.newTcRef emptyWorkList
+       ; tc_lvl <- TcM.getTcLevel
+       ; let new_tclvl = pushTcLevel tc_lvl
+
+       ; res <- TcM.setTcLevel new_tclvl $
+                thing_inside (env { tcs_worklist = new_wl_var })
+
+       ; wl@WL { wl_eqs = eqs } <- TcM.readTcRef new_wl_var
+       ; if null eqs
+         then return (emptyBag, emptyTcEvBinds, res)
+         else
+    do { env <- TcM.getLclEnv
        ; ev_binds_var <- TcM.newTcEvBinds
-       ; wl_var <- TcM.newTcRef emptyWorkList
-       ; let nest_env = env { tcs_ev_binds = ev_binds_var
-                            , tcs_unified  = unified_var
-                            , tcs_inerts   = is_var
-                            , tcs_worklist = wl_var }
-       ; thing_inside nest_env }
+       ; let wc  = ASSERT2( null (wl_funeqs wl) && null (wl_rest wl) &&
+                            null (wl_deriv wl) && null (wl_implics wl), ppr wl )
+                   WC { wc_simple = listToCts eqs
+                      , wc_impl   = emptyBag
+                      , wc_insol  = emptyCts }
+             imp = Implic { ic_tclvl  = new_tclvl
+                          , ic_skols  = skol_tvs
+                          , ic_no_eqs = True
+                          , ic_given  = givens
+                          , ic_wanted = wc
+                          , ic_status = IC_Unsolved
+                          , ic_binds  = ev_binds_var
+                          , ic_env    = env
+                          , ic_needed = emptyVarSet
+                          , ic_info   = skol_info }
+      ; return (unitBag imp, TcEvBinds ev_binds_var, res) } }
 
 {-
 Note [Propagate the solved dictionaries]
@@ -2368,13 +2663,12 @@ emitWorkNC evs
   | null evs
   = return ()
   | otherwise
-  = do { traceTcS "Emitting fresh work" (vcat (map ppr evs))
-       ; updWorkListTcS (extendWorkListCts (map mkNonCanonical evs)) }
+  = emitWork (map mkNonCanonical evs)
 
-emitWorkCt :: Ct -> TcS ()
-emitWorkCt ct
-  = do { traceTcS "Emitting fresh (canonical) work" (ppr ct)
-       ; updWorkListTcS (extendWorkListCt ct) }
+emitWork :: [Ct] -> TcS ()
+emitWork cts
+  = do { traceTcS "Emitting fresh work" (vcat (map ppr cts))
+       ; updWorkListTcS (extendWorkListCts cts) }
 
 emitInsoluble :: Ct -> TcS ()
 -- Emits a non-canonical constraint that will stand for a frozen error in the inerts.
@@ -2384,10 +2678,11 @@ emitInsoluble ct
   where
     this_pred = ctPred ct
     add_insol is@(IS { inert_cans = ics@(IC { inert_insols = old_insols }) })
-      | already_there = is
-      | otherwise     = is { inert_cans = ics { inert_insols = old_insols `snocCts` ct } }
+      | drop_it   = is
+      | otherwise = is { inert_cans = ics { inert_insols = old_insols `snocCts` ct } }
       where
-        already_there = not (isWantedCt ct) && anyBag (tcEqType this_pred . ctPred) old_insols
+        drop_it = isDroppableDerivedCt ct &&
+                  anyBag (tcEqType this_pred . ctPred) old_insols
              -- See Note [Do not add duplicate derived insolubles]
 
 newTcRef :: a -> TcS (TcRef a)
@@ -2399,16 +2694,22 @@ readTcRef ref = wrapTcS (TcM.readTcRef ref)
 updTcRef :: TcRef a -> (a->a) -> TcS ()
 updTcRef ref upd_fn = wrapTcS (TcM.updTcRef ref upd_fn)
 
-getTcEvBinds :: TcS EvBindsVar
-getTcEvBinds = TcS (return . tcs_ev_binds)
+getTcEvBindsVar :: TcS EvBindsVar
+getTcEvBindsVar = TcS (return . tcs_ev_binds)
 
 getTcLevel :: TcS TcLevel
 getTcLevel = wrapTcS TcM.getTcLevel
 
+getTcEvBindsAndTCVs :: EvBindsVar -> TcS (EvBindMap, TyCoVarSet)
+getTcEvBindsAndTCVs ev_binds_var
+  = wrapTcS $ do { bnds <- TcM.getTcEvBindsMap ev_binds_var
+                 ; tcvs <- TcM.getTcEvTyCoVars ev_binds_var
+                 ; return (bnds, tcvs) }
+
 getTcEvBindsMap :: TcS EvBindMap
 getTcEvBindsMap
-  = do { EvBindsVar ev_ref _ <- getTcEvBinds
-       ; wrapTcS $ TcM.readTcRef ev_ref }
+  = do { ev_binds_var <- getTcEvBindsVar
+       ; wrapTcS $ TcM.getTcEvBindsMap ev_binds_var }
 
 unifyTyVar :: TcTyVar -> TcType -> TcS ()
 -- Unify a meta-tyvar with a type
@@ -2420,16 +2721,7 @@ unifyTyVar tv ty
     TcS $ \ env ->
     do { TcM.traceTc "unifyTyVar" (ppr tv <+> text ":=" <+> ppr ty)
        ; TcM.writeMetaTyVar tv ty
-       ; TcM.updTcRef (tcs_unified env) (+ 1) }
-
-unflattenFmv :: TcTyVar -> TcType -> TcS ()
--- Fill a flatten-meta-var, simply by unifying it.
--- This does NOT count as a unification in tcs_unified.
-unflattenFmv tv ty
-  = ASSERT2( isMetaTyVar tv, ppr tv )
-    TcS $ \ _ ->
-    do { TcM.traceTc "unflattenFmv" (ppr tv <+> text ":=" <+> ppr ty)
-       ; TcM.writeMetaTyVar tv ty }
+       ; TcM.updTcRef (tcs_unified env) (+1) }
 
 reportUnifications :: TcS a -> TcS (Int, a)
 reportUnifications (TcS thing_inside)
@@ -2437,8 +2729,8 @@ reportUnifications (TcS thing_inside)
     do { inner_unified <- TcM.newTcRef 0
        ; res <- thing_inside (env { tcs_unified = inner_unified })
        ; n_unifs <- TcM.readTcRef inner_unified
-       ; TcM.updTcRef (tcs_unified env) (+ n_unifs)  -- Inner unifications affect
-       ; return (n_unifs, res) }                     -- the outer scope too
+       ; TcM.updTcRef (tcs_unified env) (+ n_unifs)
+       ; return (n_unifs, res) }
 
 getDefaultInfo ::  TcS ([Type], (Bool, Bool))
 getDefaultInfo = wrapTcS TcM.tcGetDefaultTys
@@ -2464,11 +2756,18 @@ getLclEnv = wrapTcS $ TcM.getLclEnv
 tcLookupClass :: Name -> TcS Class
 tcLookupClass c = wrapTcS $ TcM.tcLookupClass c
 
+tcLookupId :: Name -> TcS Id
+tcLookupId n = wrapTcS $ TcM.tcLookupId n
+
 -- Setting names as used (used in the deriving of Coercible evidence)
 -- Too hackish to expose it to TcS? In that case somehow extract the used
 -- constructors from the result of solveInteract
-addUsedRdrNamesTcS :: [RdrName] -> TcS ()
-addUsedRdrNamesTcS names = wrapTcS  $ addUsedRdrNames names
+addUsedGREs :: [GlobalRdrElt] -> TcS ()
+addUsedGREs gres = wrapTcS  $ TcM.addUsedGREs gres
+
+addUsedGRE :: Bool -> GlobalRdrElt -> TcS ()
+addUsedGRE warn_if_deprec gre = wrapTcS $ TcM.addUsedGRE warn_if_deprec gre
+
 
 -- Various smaller utilities [TODO, maybe will be absorbed in the instance matcher]
 -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
@@ -2479,7 +2778,7 @@ checkWellStagedDFun pred dfun_id loc
     do { use_stage <- TcM.getStage
        ; TcM.checkWellStaged pp_thing bind_lvl (thLevel use_stage) }
   where
-    pp_thing = ptext (sLit "instance for") <+> quotes (ppr pred)
+    pp_thing = text "instance for" <+> quotes (ppr pred)
     bind_lvl = TcM.topIdLvl dfun_id
 
 pprEq :: TcType -> TcType -> SDoc
@@ -2492,8 +2791,7 @@ isTouchableMetaTyVarTcS tv
 
 isFilledMetaTyVar_maybe :: TcTyVar -> TcS (Maybe Type)
 isFilledMetaTyVar_maybe tv
- = ASSERT2( isTcTyVar tv, ppr tv )
-   case tcTyVarDetails tv of
+ = case tcTyVarDetails tv of
      MetaTv { mtv_ref = ref }
         -> do { cts <- wrapTcS (TcM.readTcRef ref)
               ; case cts of
@@ -2504,8 +2802,14 @@ isFilledMetaTyVar_maybe tv
 isFilledMetaTyVar :: TcTyVar -> TcS Bool
 isFilledMetaTyVar tv = wrapTcS (TcM.isFilledMetaTyVar tv)
 
-zonkTyVarsAndFV :: TcTyVarSet -> TcS TcTyVarSet
-zonkTyVarsAndFV tvs = wrapTcS (TcM.zonkTyVarsAndFV tvs)
+zonkTyCoVarsAndFV :: TcTyCoVarSet -> TcS TcTyCoVarSet
+zonkTyCoVarsAndFV tvs = wrapTcS (TcM.zonkTyCoVarsAndFV tvs)
+
+zonkTyCoVarsAndFVList :: [TcTyCoVar] -> TcS [TcTyCoVar]
+zonkTyCoVarsAndFVList tvs = wrapTcS (TcM.zonkTyCoVarsAndFVList tvs)
+
+zonkCo :: Coercion -> TcS Coercion
+zonkCo = wrapTcS . TcM.zonkCo
 
 zonkTcType :: TcType -> TcS TcType
 zonkTcType ty = wrapTcS (TcM.zonkTcType ty)
@@ -2532,7 +2836,7 @@ sites.  Not only do we want an error message for each, but with
 *derived* insolubles, we only want to report each one once.  Why?
 
 (a) A constraint (C r s t) where r -> s, say, may generate the same fundep
-    equality many times, as the original constraint is sucessively rewritten.
+    equality many times, as the original constraint is successively rewritten.
 
 (b) Ditto the successive iterations of the main solver itself, as it traverses
     the constraint tree. See example below.
@@ -2573,49 +2877,102 @@ which will result in two Deriveds to end up in the insoluble set:
   wc_insols = (c ~ [c]) [D], (c ~ [c]) [D]
 -}
 
--- Flatten skolems
--- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
+{- *********************************************************************
+*                                                                      *
+*                Flatten skolems                                       *
+*                                                                      *
+********************************************************************* -}
+
 newFlattenSkolem :: CtFlavour -> CtLoc
-                 -> TcType         -- F xis
-                 -> TcS (CtEvidence, TcTyVar)    -- [W] x:: F xis ~ fsk
-newFlattenSkolem Given loc fam_ty
-  = do { fsk <- newFsk fam_ty
-       ; ev  <- newGivenEvVar loc (mkTcEqPred fam_ty (mkTyVarTy fsk),
-                                   EvCoercion (mkTcNomReflCo fam_ty))
-       ; return (ev, fsk) }
-
-newFlattenSkolem Wanted loc fam_ty
-  = do { fmv <- newFmv fam_ty
-       ; ev <- newWantedEvVarNC loc (mkTcEqPred fam_ty (mkTyVarTy fmv))
-       ; return (ev, fmv) }
-
-newFlattenSkolem Derived loc fam_ty
-  = do { fmv <- newFmv fam_ty
-       ; ev <- newDerivedNC loc (mkTcEqPred fam_ty (mkTyVarTy fmv))
-       ; return (ev, fmv) }
-
-newFsk, newFmv :: TcType -> TcS TcTyVar
-newFsk fam_ty
-  = wrapTcS $ do { uniq <- TcM.newUnique
-                 ; let name = TcM.mkTcTyVarName uniq (fsLit "fsk")
-                 ; return (mkTcTyVar name (typeKind fam_ty) (FlatSkol fam_ty)) }
-
-newFmv fam_ty
-  = wrapTcS $ do { uniq <- TcM.newUnique
-                 ; ref  <- TcM.newMutVar Flexi
-                 ; cur_lvl <- TcM.getTcLevel
-                 ; let details = MetaTv { mtv_info  = FlatMetaTv
-                                        , mtv_ref   = ref
-                                        , mtv_tclvl = fmvTcLevel cur_lvl }
-                       name = TcM.mkTcTyVarName uniq (fsLit "s")
-                 ; return (mkTcTyVar name (typeKind fam_ty) details) }
+                 -> TyCon -> [TcType]                    -- F xis
+                 -> TcS (CtEvidence, Coercion, TcTyVar)  -- [G/WD] x:: F xis ~ fsk
+newFlattenSkolem flav loc tc xis
+  = do { stuff@(ev, co, fsk) <- new_skolem
+       ; let fsk_ty = mkTyVarTy fsk
+       ; extendFlatCache tc xis (co, fsk_ty, ctEvFlavour ev)
+       ; return stuff }
+  where
+    fam_ty = mkTyConApp tc xis
+
+    new_skolem
+      | Given <- flav
+      = do { fsk <- wrapTcS (TcM.newFskTyVar fam_ty)
+
+           -- Extend the inert_fsks list, for use by unflattenGivens
+           ; updInertTcS $ \is -> is { inert_fsks = (fsk, fam_ty) : inert_fsks is }
+
+           -- Construct the Refl evidence
+           ; let pred = mkPrimEqPred fam_ty (mkTyVarTy fsk)
+                 co   = mkNomReflCo fam_ty
+           ; ev  <- newGivenEvVar loc (pred, EvCoercion co)
+           ; return (ev, co, fsk) }
+
+      | otherwise  -- Generate a [WD] for both Wanted and Derived
+                   -- See Note [No Derived CFunEqCans]
+      = do { fmv <- wrapTcS (TcM.newFmvTyVar fam_ty)
+           ; (ev, hole_co) <- newWantedEq loc Nominal fam_ty (mkTyVarTy fmv)
+           ; return (ev, hole_co, fmv) }
+
+----------------------------
+unflattenGivens :: IORef InertSet -> TcM ()
+-- Unflatten all the fsks created by flattening types in Given
+-- constraints We must be sure to do this, else we end up with
+-- flatten-skolems buried in any residual Wanteds
+--
+-- NB: this is the /only/ way that a fsk (MetaDetails = FlatSkolTv)
+--     is filled in. Nothing else does so.
+--
+-- It's here (rather than in TcFlatten) because the Right Places
+-- to call it are in runTcSWithEvBinds/nestImplicTcS, where it
+-- is nicely paired with the creation an empty inert_fsks list.
+unflattenGivens inert_var
+ = do { inerts <- TcM.readTcRef inert_var
+       ; mapM_ flatten_one (inert_fsks inerts) }
+  where
+    flatten_one (fsk, ty) = TcM.writeMetaTyVar fsk ty
 
+----------------------------
 extendFlatCache :: TyCon -> [Type] -> (TcCoercion, TcType, CtFlavour) -> TcS ()
-extendFlatCache tc xi_args stuff
+extendFlatCache tc xi_args stuff@(_, ty, fl)
+  | isGivenOrWDeriv fl  -- Maintain the invariant that inert_flat_cache
+                        -- only has [G] and [WD] CFunEqCans
   = do { dflags <- getDynFlags
        ; when (gopt Opt_FlatCache dflags) $
-         updInertTcS $ \ is@(IS { inert_flat_cache = fc }) ->
-            is { inert_flat_cache = insertFunEq fc tc xi_args stuff } }
+    do { traceTcS "extendFlatCache" (vcat [ ppr tc <+> ppr xi_args
+                                          , ppr fl, ppr ty ])
+            -- 'co' can be bottom, in the case of derived items
+       ; updInertTcS $ \ is@(IS { inert_flat_cache = fc }) ->
+            is { inert_flat_cache = insertExactFunEq fc tc xi_args stuff } } }
+
+  | otherwise
+  = return ()
+
+----------------------------
+unflattenFmv :: TcTyVar -> TcType -> TcS ()
+-- Fill a flatten-meta-var, simply by unifying it.
+-- This does NOT count as a unification in tcs_unified.
+unflattenFmv tv ty
+  = ASSERT2( isMetaTyVar tv, ppr tv )
+    TcS $ \ _ ->
+    do { TcM.traceTc "unflattenFmv" (ppr tv <+> text ":=" <+> ppr ty)
+       ; TcM.writeMetaTyVar tv ty }
+
+----------------------------
+demoteUnfilledFmv :: TcTyVar -> TcS ()
+-- If a flatten-meta-var is still un-filled,
+-- turn it into an ordinary meta-var
+demoteUnfilledFmv fmv
+  = wrapTcS $ do { is_filled <- TcM.isFilledMetaTyVar fmv
+                 ; unless is_filled $
+                   do { tv_ty <- TcM.newFlexiTyVarTy (tyVarKind fmv)
+                      ; TcM.writeMetaTyVar fmv tv_ty } }
+
+
+{- *********************************************************************
+*                                                                      *
+*                Instantiation etc.
+*                                                                      *
+********************************************************************* -}
 
 -- Instantiations
 -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
@@ -2630,50 +2987,81 @@ newFlexiTcSTy knd = wrapTcS (TcM.newFlexiTyVarTy knd)
 cloneMetaTyVar :: TcTyVar -> TcS TcTyVar
 cloneMetaTyVar tv = wrapTcS (TcM.cloneMetaTyVar tv)
 
-demoteUnfilledFmv :: TcTyVar -> TcS ()
--- If a flatten-meta-var is still un-filled,
--- turn it into an ordinary meta-var
-demoteUnfilledFmv fmv
-  = wrapTcS $ do { is_filled <- TcM.isFilledMetaTyVar fmv
-                 ; unless is_filled $
-                   do { tv_ty <- TcM.newFlexiTyVarTy (tyVarKind fmv)
-                      ; TcM.writeMetaTyVar fmv tv_ty } }
+instFlexi :: [TKVar] -> TcS TCvSubst
+instFlexi = instFlexiX emptyTCvSubst
 
-instFlexiTcS :: [TKVar] -> TcS (TvSubst, [TcType])
-instFlexiTcS tvs = wrapTcS (mapAccumLM inst_one emptyTvSubst tvs)
-  where
-     inst_one subst tv
-         = do { ty' <- instFlexiTcSHelper (tyVarName tv)
-                                          (substTy subst (tyVarKind tv))
-              ; return (extendTvSubst subst tv ty', ty') }
+instFlexiX :: TCvSubst -> [TKVar] -> TcS TCvSubst
+instFlexiX subst tvs
+  = wrapTcS (foldlM instFlexiHelper subst tvs)
 
-instFlexiTcSHelper :: Name -> Kind -> TcM TcType
-instFlexiTcSHelper tvname kind
+instFlexiHelper :: TCvSubst -> TKVar -> TcM TCvSubst
+instFlexiHelper subst tv
   = do { uniq <- TcM.newUnique
-       ; details <- TcM.newMetaDetails (TauTv False)
-       ; let name = setNameUnique tvname uniq
-       ; return (mkTyVarTy (mkTcTyVar name kind details)) }
-
-instFlexiTcSHelperTcS :: Name -> Kind -> TcS TcType
-instFlexiTcSHelperTcS n k = wrapTcS (instFlexiTcSHelper n k)
-
+       ; details <- TcM.newMetaDetails TauTv
+       ; let name = setNameUnique (tyVarName tv) uniq
+             kind = substTyUnchecked subst (tyVarKind tv)
+             ty'  = mkTyVarTy (mkTcTyVar name kind details)
+       ; return (extendTvSubst subst tv ty') }
+
+tcInstType :: ([TyVar] -> TcM (TCvSubst, [TcTyVar]))
+                   -- ^ How to instantiate the type variables
+           -> Id   -- ^ Type to instantiate
+           -> TcS ([(Name, TcTyVar)], TcThetaType, TcType) -- ^ Result
+                -- (type vars, preds (incl equalities), rho)
+tcInstType inst_tyvars id = wrapTcS (TcM.tcInstType inst_tyvars id)
+
+tcInstSkolTyVarsX :: TCvSubst -> [TyVar] -> TcS (TCvSubst, [TcTyVar])
+tcInstSkolTyVarsX subst tvs = wrapTcS $ TcM.tcInstSkolTyVarsX subst tvs
 
 -- Creating and setting evidence variables and CtFlavors
 -- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
 
-data Freshness = Fresh | Cached
+data MaybeNew = Fresh CtEvidence | Cached EvTerm
 
-isFresh :: Freshness -> Bool
-isFresh Fresh  = True
-isFresh Cached = False
+isFresh :: MaybeNew -> Bool
+isFresh (Fresh {})  = True
+isFresh (Cached {}) = False
 
-freshGoals :: [(CtEvidence, Freshness)] -> [CtEvidence]
-freshGoals mns = [ ctev | (ctev, Fresh) <- mns ]
+freshGoals :: [MaybeNew] -> [CtEvidence]
+freshGoals mns = [ ctev | Fresh ctev <- mns ]
+
+getEvTerm :: MaybeNew -> EvTerm
+getEvTerm (Fresh ctev) = ctEvTerm ctev
+getEvTerm (Cached evt) = evt
 
 setEvBind :: EvBind -> TcS ()
 setEvBind ev_bind
-  = do { tc_evbinds <- getTcEvBinds
-       ; wrapTcS $ TcM.addTcEvBind tc_evbinds ev_bind }
+  = do { evb <- getTcEvBindsVar
+       ; wrapTcS $ TcM.addTcEvBind evb ev_bind }
+
+-- | Mark variables as used filling a coercion hole
+useVars :: CoVarSet -> TcS ()
+useVars vars
+  = do { EvBindsVar { ebv_tcvs = ref } <- getTcEvBindsVar
+       ; wrapTcS $
+         do { tcvs <- TcM.readTcRef ref
+            ; let tcvs' = tcvs `unionVarSet` vars
+            ; TcM.writeTcRef ref tcvs' } }
+
+-- | Equalities only
+setWantedEq :: TcEvDest -> Coercion -> TcS ()
+setWantedEq (HoleDest hole) co
+  = do { useVars (coVarsOfCo co)
+       ; wrapTcS $ TcM.fillCoercionHole hole co }
+setWantedEq (EvVarDest ev) _ = pprPanic "setWantedEq" (ppr ev)
+
+-- | Equalities only
+setEqIfWanted :: CtEvidence -> Coercion -> TcS ()
+setEqIfWanted (CtWanted { ctev_dest = dest }) co = setWantedEq dest co
+setEqIfWanted _ _ = return ()
+
+-- | Good for equalities and non-equalities
+setWantedEvTerm :: TcEvDest -> EvTerm -> TcS ()
+setWantedEvTerm (HoleDest hole) tm
+  = do { let co = evTermCoercion tm
+       ; useVars (coVarsOfCo co)
+       ; wrapTcS $ TcM.fillCoercionHole hole co }
+setWantedEvTerm (EvVarDest ev) tm = setWantedEvBind ev tm
 
 setWantedEvBind :: EvVar -> EvTerm -> TcS ()
 setWantedEvBind ev_id tm = setEvBind (mkWantedEvBind ev_id tm)
@@ -2681,8 +3069,9 @@ setWantedEvBind ev_id tm = setEvBind (mkWantedEvBind ev_id tm)
 setEvBindIfWanted :: CtEvidence -> EvTerm -> TcS ()
 setEvBindIfWanted ev tm
   = case ev of
-      CtWanted { ctev_evar = ev_id } -> setWantedEvBind ev_id tm
-      _                              -> return ()
+      CtWanted { ctev_dest = dest }
+        -> setWantedEvTerm dest tm
+      _ -> return ()
 
 newTcEvBinds :: TcS EvBindsVar
 newTcEvBinds = wrapTcS TcM.newTcEvBinds
@@ -2695,80 +3084,81 @@ newGivenEvVar :: CtLoc -> (TcPredType, EvTerm) -> TcS CtEvidence
 -- immediately bind it to the given term
 -- and return its CtEvidence
 -- See Note [Bind new Givens immediately] in TcRnTypes
--- Precondition: this is not a kind equality
---               See Note [Do not create Given kind equalities]
 newGivenEvVar loc (pred, rhs)
-  = ASSERT2( not (isKindEquality pred), ppr pred $$ pprCtOrigin (ctLocOrigin loc) )
-    do { -- checkReductionDepth loc pred
-       ; new_ev <- newEvVar pred
-       ; setEvBind (mkGivenEvBind new_ev rhs)
+  = do { new_ev <- newBoundEvVarId pred rhs
        ; return (CtGiven { ctev_pred = pred, ctev_evar = new_ev, ctev_loc = loc }) }
 
+-- | Make a new 'Id' of the given type, bound (in the monad's EvBinds) to the
+-- given term
+newBoundEvVarId :: TcPredType -> EvTerm -> TcS EvVar
+newBoundEvVarId pred rhs
+  = do { new_ev <- newEvVar pred
+       ; setEvBind (mkGivenEvBind new_ev rhs)
+       ; return new_ev }
+
 newGivenEvVars :: CtLoc -> [(TcPredType, EvTerm)] -> TcS [CtEvidence]
--- Like newGivenEvVar, but automatically discard kind equalities
--- See Note [Do not create Given kind equalities]
-newGivenEvVars loc pts = mapM (newGivenEvVar loc) (filterOut (isKindEquality . fst) pts)
-
-isKindEquality :: TcPredType -> Bool
--- See Note [Do not create Given kind equalities]
-isKindEquality pred = case classifyPredType pred of
-                        EqPred _ t1 _ -> isKind t1
-                        _             -> False
-
-{- Note [Do not create Given kind equalities]
-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-We do not want to create a Given kind equality like
-
-   [G]  kv ~ k   -- kv is a skolem kind variable
-                 -- Reason we don't yet support non-Refl kind equalities
-
-This showed up in Trac #8566, where we had a data type
-   data I (u :: U *) (r :: [*]) :: * where
-        A :: I (AA t as) r                  -- Existential k
-so A has type
-   A :: forall (u:U *) (r:[*])                  Universal
-        (k:BOX) (t:k) (as:[U *]).        Existential
-        (u ~ AA * k t as) => I u r
-
-There is no direct kind equality, but in a pattern match where 'u' is
-instantiated to, say, (AA * kk (t1:kk) as1), we'd decompose to get
-   k ~ kk, t ~ t1, as ~ as1
-This is bad.  We "fix" this by simply ignoring the Given kind equality
-But the Right Thing is to add kind equalities!
-
-But note (Trac #8705) that we *do* create Given (non-canonical) equalities
-with un-equal kinds, e.g.
-   [G]  t1::k1 ~ t2::k2   -- k1 and k2 are un-equal kinds
-Reason: k1 or k2 might be unification variables that have already been
-unified (at this point we have not canonicalised the types), so we want
-to emit this t1~t2 as a (non-canonical) Given in the work-list. If k1/k2
-have been unified, we'll find that when we canonicalise it, and the
-t1~t2 information may be crucial (Trac #8705 is an example).
-
-If it turns out that k1 and k2 are really un-equal, then it'll end up
-as an Irreducible (see Note [Equalities with incompatible kinds] in
-TcCanonical), and will do no harm.
--}
+newGivenEvVars loc pts = mapM (newGivenEvVar loc) pts
 
+emitNewWantedEq :: CtLoc -> Role -> TcType -> TcType -> TcS Coercion
+-- | Emit a new Wanted equality into the work-list
+emitNewWantedEq loc role ty1 ty2
+  | otherwise
+  = do { (ev, co) <- newWantedEq loc role ty1 ty2
+       ; updWorkListTcS $
+         extendWorkListEq (mkNonCanonical ev)
+       ; return co }
+
+-- | Make a new equality CtEvidence
+newWantedEq :: CtLoc -> Role -> TcType -> TcType -> TcS (CtEvidence, Coercion)
+newWantedEq loc role ty1 ty2
+  = do { hole <- wrapTcS $ TcM.newCoercionHole
+       ; traceTcS "Emitting new coercion hole" (ppr hole <+> dcolon <+> ppr pty)
+       ; return ( CtWanted { ctev_pred = pty, ctev_dest = HoleDest hole
+                           , ctev_nosh = WDeriv
+                           , ctev_loc = loc}
+                , mkHoleCo hole role ty1 ty2 ) }
+  where
+    pty = mkPrimEqPredRole role ty1 ty2
+
+-- no equalities here. Use newWantedEq instead
 newWantedEvVarNC :: CtLoc -> TcPredType -> TcS CtEvidence
 -- Don't look up in the solved/inerts; we know it's not there
 newWantedEvVarNC loc pty
-  = do { -- checkReductionDepth loc pty
-       ; new_ev <- newEvVar pty
+  = do { new_ev <- newEvVar pty
        ; traceTcS "Emitting new wanted" (ppr new_ev <+> dcolon <+> ppr pty $$
                                          pprCtLoc loc)
-       ; return (CtWanted { ctev_pred = pty, ctev_evar = new_ev, ctev_loc = loc })}
+       ; return (CtWanted { ctev_pred = pty, ctev_dest = EvVarDest new_ev
+                          , ctev_nosh = WDeriv
+                          , ctev_loc = loc })}
 
-newWantedEvVar :: CtLoc -> TcPredType -> TcS (CtEvidence, Freshness)
+newWantedEvVar :: CtLoc -> TcPredType -> TcS MaybeNew
 -- For anything except ClassPred, this is the same as newWantedEvVarNC
 newWantedEvVar loc pty
-  = do { mb_ct <- lookupInInerts pty
+  = do { mb_ct <- lookupInInerts loc pty
        ; case mb_ct of
-            Just ctev | not (isDerived ctev)
-                      -> do { traceTcS "newWantedEvVar/cache hit" $ ppr ctev
-                            ; return (ctev, Cached) }
+            Just ctev
+              | not (isDerived ctev)
+              -> do { traceTcS "newWantedEvVar/cache hit" $ ppr ctev
+                    ; return $ Cached (ctEvTerm ctev) }
             _ -> do { ctev <- newWantedEvVarNC loc pty
-                    ; return (ctev, Fresh) } }
+                    ; return (Fresh ctev) } }
+
+-- deals with both equalities and non equalities. Tries to look
+-- up non-equalities in the cache
+newWanted :: CtLoc -> PredType -> TcS MaybeNew
+newWanted loc pty
+  | Just (role, ty1, ty2) <- getEqPredTys_maybe pty
+  = Fresh . fst <$> newWantedEq loc role ty1 ty2
+  | otherwise
+  = newWantedEvVar loc pty
+
+-- deals with both equalities and non equalities. Doesn't do any cache lookups.
+newWantedNC :: CtLoc -> PredType -> TcS CtEvidence
+newWantedNC loc pty
+  | Just (role, ty1, ty2) <- getEqPredTys_maybe pty
+  = fst <$> newWantedEq loc role ty1 ty2
+  | otherwise
+  = newWantedEvVarNC loc pty
 
 emitNewDerived :: CtLoc -> TcPredType -> TcS ()
 emitNewDerived loc pred
@@ -2785,11 +3175,11 @@ emitNewDeriveds loc preds
        ; traceTcS "Emitting new deriveds" (ppr evs)
        ; updWorkListTcS (extendWorkListDeriveds loc evs) }
 
-emitNewDerivedEq :: CtLoc -> TcPredType -> TcS ()
+emitNewDerivedEq :: CtLoc -> Role -> TcType -> TcType -> TcS ()
 -- Create new equality Derived and put it in the work list
 -- There's no caching, no lookupInInerts
-emitNewDerivedEq loc pred
-  = do { ev <- newDerivedNC loc pred
+emitNewDerivedEq loc role ty1 ty2
+  = do { ev <- newDerivedNC loc (mkPrimEqPredRole role ty1 ty2)
        ; traceTcS "Emitting new derived equality" (ppr ev $$ pprCtLoc loc)
        ; updWorkListTcS (extendWorkListDerived loc ev) }
 
@@ -2809,15 +3199,24 @@ checkReductionDepth loc ty
          wrapErrTcS $
          solverDepthErrorTcS loc ty }
 
-matchFam :: TyCon -> [Type] -> TcS (Maybe (TcCoercion, TcType))
+matchFam :: TyCon -> [Type] -> TcS (Maybe (Coercion, TcType))
 matchFam tycon args = wrapTcS $ matchFamTcM tycon args
 
-matchFamTcM :: TyCon -> [Type] -> TcM (Maybe (TcCoercion, TcType))
+matchFamTcM :: TyCon -> [Type] -> TcM (Maybe (Coercion, TcType))
 -- Given (F tys) return (ty, co), where co :: F tys ~ ty
 matchFamTcM tycon args
   = do { fam_envs <- FamInst.tcGetFamInstEnvs
-       ; return $ fmap (first TcCoercion) $
-         reduceTyFamApp_maybe fam_envs Nominal tycon args }
+       ; let match_fam_result
+              = reduceTyFamApp_maybe fam_envs Nominal tycon args
+       ; TcM.traceTc "matchFamTcM" $
+         vcat [ text "Matching:" <+> ppr (mkTyConApp tycon args)
+              , ppr_res match_fam_result ]
+       ; return match_fam_result }
+  where
+    ppr_res Nothing        = text "Match failed"
+    ppr_res (Just (co,ty)) = hang (text "Match succeeded:")
+                                2 (vcat [ text "Rewrites to:" <+> ppr ty
+                                        , text "Coercion:" <+> ppr co ])
 
 {-
 Note [Residual implications]
@@ -2831,48 +3230,3 @@ from which we get the implication
 See TcSMonad.deferTcSForAllEq
 -}
 
--- Deferring forall equalities as implications
--- ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
-
-deferTcSForAllEq :: Role -- Nominal or Representational
-                 -> CtLoc  -- Original wanted equality flavor
-                 -> ([TyVar],TcType)   -- ForAll tvs1 body1
-                 -> ([TyVar],TcType)   -- ForAll tvs2 body2
-                 -> TcS EvTerm
--- Some of this functionality is repeated from TcUnify,
--- consider having a single place where we create fresh implications.
-deferTcSForAllEq role loc (tvs1,body1) (tvs2,body2)
- = do { (subst1, skol_tvs) <- wrapTcS $ TcM.tcInstSkolTyVars tvs1
-      ; let tys  = mkTyVarTys skol_tvs
-            phi1 = Type.substTy subst1 body1
-            phi2 = Type.substTy (zipTopTvSubst tvs2 tys) body2
-            skol_info = UnifyForAllSkol skol_tvs phi1
-            eq_pred   = case role of
-                          Nominal ->          mkTcEqPred      phi1 phi2
-                          Representational -> mkCoerciblePred phi1 phi2
-                          Phantom ->          panic "deferTcSForAllEq Phantom"
-        ; (ctev, freshness) <- newWantedEvVar loc eq_pred
-        ; coe_inside <- case freshness of
-            Cached -> return (ctEvCoercion ctev)
-            Fresh  -> do { ev_binds_var <- newTcEvBinds
-                         ; env <- getLclEnv
-                         ; let ev_binds = TcEvBinds ev_binds_var
-                               new_ct = mkNonCanonical ctev
-                               new_co = ctEvCoercion ctev
-                               new_tclvl = pushTcLevel (tcl_tclvl env)
-                         ; let wc = WC { wc_simple = singleCt new_ct
-                                       , wc_impl   = emptyBag
-                                       , wc_insol  = emptyCts }
-                               imp = Implic { ic_tclvl    = new_tclvl
-                                            , ic_skols    = skol_tvs
-                                            , ic_no_eqs   = True
-                                            , ic_given    = []
-                                            , ic_wanted   = wc
-                                            , ic_status   = IC_Unsolved
-                                            , ic_binds    = ev_binds_var
-                                            , ic_env      = env
-                                            , ic_info     = skol_info }
-                         ; updWorkListTcS (extendWorkListImplic imp)
-                         ; return (TcLetCo ev_binds new_co) }
-
-        ; return $ EvCoercion (foldr mkTcForAllCo coe_inside skol_tvs) }