src/gromacs/domdec/domdec_topology.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 /*! \internal \file
  37  *
  38  * \brief This file defines functions used by the domdec module
  39  * while managing the construction, use and error checking for
  40  * topologies local to a DD rank.
  41  *
  42  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  43  * \ingroup module_domdec
  44  */
  45
  46 #include "gmxpre.h"
  47
  48 #include <assert.h>
  49 #include <stdlib.h>
  50 #include <string.h>
  51
  52 #include <cassert>
  53
  54 #include <algorithm>
  55 #include <string>
  56
  57 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  58 #include "gromacs/domdec/domdec_network.h"
  59 #include "gromacs/domdec/ga2la.h"
  60 #include "gromacs/gmxlib/chargegroup.h"
  61 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  62 #include "gromacs/math/vec.h"
  63 #include "gromacs/mdlib/force.h"
  64 #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
  65 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  66 #include "gromacs/mdlib/vsite.h"
  67 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  69 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  70 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  71 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  72 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  73 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  74 #include "gromacs/topology/topsort.h"
  75 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  76 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  77 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  78 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  79 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  80 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  81
  82 #include "domdec_constraints.h"
  83 #include "domdec_internal.h"
  84 #include "domdec_vsite.h"
  85
  86 /*! \brief The number of integer item in the local state, used for broadcasting of the state */
  87 #define NITEM_DD_INIT_LOCAL_STATE 5
  88
  89 typedef struct {
  90     int  *index;  /* Index for each atom into il                  */
  91     int  *il;     /* ftype|type|a0|...|an|ftype|...               */
  92 } reverse_ilist_t;
  93
  94 typedef struct {
  95     int  a_start;
  96     int  a_end;
  97     int  natoms_mol;
  98     int  type;
  99 } molblock_ind_t;
 100
 101 /*! \brief Struct for thread local work data for local topology generation */
 102 typedef struct {
 103     t_idef     idef;             /**< Partial local topology */
 104     int      **vsite_pbc;        /**< vsite PBC structure */
 105     int       *vsite_pbc_nalloc; /**< Allocation sizes for vsite_pbc */
 106     int        nbonded;          /**< The number of bondeds in this struct */
 107     t_blocka   excl;             /**< List of exclusions */
 108     int        excl_count;       /**< The total exclusion count for \p excl */
 109 } thread_work_t;
 110
 111 /*! \brief Struct for the reverse topology: links bonded interactions to atomsx */
 112 struct gmx_reverse_top_t
 113 {
 114     //! @cond Doxygen_Suppress
 115     gmx_bool         bExclRequired;               /**< Do we require all exclusions to be assigned? */
 116     int              n_excl_at_max;               /**< The maximum number of exclusions one atom can have */
 117     gmx_bool         bConstr;                     /**< Are there constraints in this revserse top?  */
 118     gmx_bool         bSettle;                     /**< Are there settles in this revserse top?  */
 119     gmx_bool         bBCheck;                     /**< All bonded interactions have to be assigned? */
 120     gmx_bool         bInterCGInteractions;        /**< Are there bondeds/exclusions between charge-groups? */
 121     reverse_ilist_t *ril_mt;                      /**< Reverse ilist for all moltypes      */
 122     int              ril_mt_tot_size;             /**< The size of ril_mt[?].index summed over all entries */
 123     int              ilsort;                      /**< The sorting state of bondeds for free energy */
 124     molblock_ind_t  *mbi;                         /**< molblock to global atom index for quick lookup of molblocks on atom index */
 125     int              nmolblock;                   /**< The number of molblocks, size of \p mbi */
 126
 127     gmx_bool         bIntermolecularInteractions; /**< Do we have intermolecular interactions? */
 128     reverse_ilist_t  ril_intermol;                /**< Intermolecular reverse ilist */
 129
 130     /* Work data structures for multi-threading */
 131     int            nthread;           /**< The number of threads to be used */
 132     thread_work_t *th_work;           /**< Thread work array for local topology generation */
 133     //! @endcond
 134 };
 135
 136 /*! \brief Returns the number of atom entries for il in gmx_reverse_top_t */
 137 static int nral_rt(int ftype)
 138 {
 139     int nral;
 140
 141     nral = NRAL(ftype);
 142     if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
 143     {
 144         /* With vsites the reverse topology contains
 145          * two extra entries for PBC.
 146          */
 147         nral += 2;
 148     }
 149
 150     return nral;
 151 }
 152
 153 /*! \brief Return whether interactions of type \p ftype need to be assigned exactly once */
 154 static gmx_bool dd_check_ftype(int ftype, gmx_bool bBCheck,
 155                                gmx_bool bConstr, gmx_bool bSettle)
 156 {
 157     return (((interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
 158              !(interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
 159              (bBCheck || !(interaction_function[ftype].flags & IF_LIMZERO))) ||
 160             (bConstr && (ftype == F_CONSTR || ftype == F_CONSTRNC)) ||
 161             (bSettle && ftype == F_SETTLE));
 162 }
 163
 164 /*! \brief Print a header on error messages */
 165 static void print_error_header(FILE *fplog, const char *moltypename, int nprint)
 166 {
 167     fprintf(fplog, "\nMolecule type '%s'\n", moltypename);
 168     fprintf(stderr, "\nMolecule type '%s'\n", moltypename);
 169     fprintf(fplog,
 170             "the first %d missing interactions, except for exclusions:\n",
 171             nprint);
 172     fprintf(stderr,
 173             "the first %d missing interactions, except for exclusions:\n",
 174             nprint);
 175 }
 176
 177 /*! \brief Help print error output when interactions are missing */
 178 static void print_missing_interactions_mb(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 179                                           const gmx_reverse_top_t *rt,
 180                                           const char *moltypename,
 181                                           const reverse_ilist_t *ril,
 182                                           int a_start, int a_end,
 183                                           int nat_mol, int nmol,
 184                                           const t_idef *idef)
 185 {
 186     int *assigned;
 187     int  nril_mol = ril->index[nat_mol];
 188     snew(assigned, nmol*nril_mol);
 189
 190     int *gatindex = cr->dd->gatindex;
 191     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 192     {
 193         if (dd_check_ftype(ftype, rt->bBCheck, rt->bConstr, rt->bSettle))
 194         {
 195             int            nral = NRAL(ftype);
 196             const t_ilist *il   = &idef->il[ftype];
 197             const t_iatom *ia   = il->iatoms;
 198             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1+nral)
 199             {
 200                 int a0 = gatindex[ia[1]];
 201                 /* Check if this interaction is in
 202                  * the currently checked molblock.
 203                  */
 204                 if (a0 >= a_start && a0 < a_end)
 205                 {
 206                     int  mol    = (a0 - a_start)/nat_mol;
 207                     int  a0_mol = (a0 - a_start) - mol*nat_mol;
 208                     int  j_mol  = ril->index[a0_mol];
 209                     bool found  = false;
 210                     while (j_mol < ril->index[a0_mol+1] && !found)
 211                     {
 212                         int j       = mol*nril_mol + j_mol;
 213                         int ftype_j = ril->il[j_mol];
 214                         /* Here we need to check if this interaction has
 215                          * not already been assigned, since we could have
 216                          * multiply defined interactions.
 217                          */
 218                         if (ftype == ftype_j && ia[0] == ril->il[j_mol+1] &&
 219                             assigned[j] == 0)
 220                         {
 221                             /* Check the atoms */
 222                             found = true;
 223                             for (int a = 0; a < nral; a++)
 224                             {
 225                                 if (gatindex[ia[1+a]] !=
 226                                     a_start + mol*nat_mol + ril->il[j_mol+2+a])
 227                                 {
 228                                     found = false;
 229                                 }
 230                             }
 231                             if (found)
 232                             {
 233                                 assigned[j] = 1;
 234                             }
 235                         }
 236                         j_mol += 2 + nral_rt(ftype_j);
 237                     }
 238                     if (!found)
 239                     {
 240                         gmx_incons("Some interactions seem to be assigned multiple times");
 241                     }
 242                 }
 243                 ia += 1 + nral;
 244             }
 245         }
 246     }
 247
 248     gmx_sumi(nmol*nril_mol, assigned, cr);
 249
 250     int nprint = 10;
 251     int i      = 0;
 252     for (int mol = 0; mol < nmol; mol++)
 253     {
 254         int j_mol = 0;
 255         while (j_mol < nril_mol)
 256         {
 257             int ftype = ril->il[j_mol];
 258             int nral  = NRAL(ftype);
 259             int j     = mol*nril_mol + j_mol;
 260             if (assigned[j] == 0 &&
 261                 !(interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE))
 262             {
 263                 if (DDMASTER(cr->dd))
 264                 {
 265                     if (i == 0)
 266                     {
 267                         print_error_header(fplog, moltypename, nprint);
 268                     }
 269                     fprintf(fplog, "%20s atoms",
 270                             interaction_function[ftype].longname);
 271                     fprintf(stderr, "%20s atoms",
 272                             interaction_function[ftype].longname);
 273                     int a;
 274                     for (a = 0; a < nral; a++)
 275                     {
 276                         fprintf(fplog, "%5d", ril->il[j_mol+2+a]+1);
 277                         fprintf(stderr, "%5d", ril->il[j_mol+2+a]+1);
 278                     }
 279                     while (a < 4)
 280                     {
 281                         fprintf(fplog, "     ");
 282                         fprintf(stderr, "     ");
 283                         a++;
 284                     }
 285                     fprintf(fplog, " global");
 286                     fprintf(stderr, " global");
 287                     for (a = 0; a < nral; a++)
 288                     {
 289                         fprintf(fplog, "%6d",
 290                                 a_start+mol*nat_mol+ril->il[j_mol+2+a]+1);
 291                         fprintf(stderr, "%6d",
 292                                 a_start+mol*nat_mol+ril->il[j_mol+2+a]+1);
 293                     }
 294                     fprintf(fplog, "\n");
 295                     fprintf(stderr, "\n");
 296                 }
 297                 i++;
 298                 if (i >= nprint)
 299                 {
 300                     break;
 301                 }
 302             }
 303             j_mol += 2 + nral_rt(ftype);
 304         }
 305     }
 306
 307     sfree(assigned);
 308 }
 309
 310 /*! \brief Help print error output when interactions are missing */
 311 static void print_missing_interactions_atoms(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 312                                              const gmx_mtop_t *mtop,
 313                                              const t_idef *idef)
 314 {
 315     int                      mb, a_start, a_end;
 316     const gmx_molblock_t    *molb;
 317     const gmx_reverse_top_t *rt;
 318
 319     rt = cr->dd->reverse_top;
 320
 321     /* Print the atoms in the missing interactions per molblock */
 322     a_end = 0;
 323     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 324     {
 325         molb    = &mtop->molblock[mb];
 326         a_start = a_end;
 327         a_end   = a_start + molb->nmol*molb->natoms_mol;
 328
 329         print_missing_interactions_mb(fplog, cr, rt,
 330                                       *(mtop->moltype[molb->type].name),
 331                                       &rt->ril_mt[molb->type],
 332                                       a_start, a_end, molb->natoms_mol,
 333                                       molb->nmol,
 334                                       idef);
 335     }
 336 }
 337
 338 void dd_print_missing_interactions(FILE *fplog, t_commrec *cr,
 339                                    int local_count,
 340                                    const gmx_mtop_t *top_global,
 341                                    const gmx_localtop_t *top_local,
 342                                    t_state *state_local)
 343 {
 344     int             ndiff_tot, cl[F_NRE], n, ndiff, rest_global, rest_local;
 345     int             ftype, nral;
 346     char            buf[STRLEN];
 347     gmx_domdec_t   *dd;
 348
 349     dd = cr->dd;
 350
 351     if (fplog)
 352     {
 353         fprintf(fplog, "\nNot all bonded interactions have been properly assigned to the domain decomposition cells\n");
 354         fflush(fplog);
 355     }
 356
 357     ndiff_tot = local_count - dd->nbonded_global;
 358
 359     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 360     {
 361         nral      = NRAL(ftype);
 362         cl[ftype] = top_local->idef.il[ftype].nr/(1+nral);
 363     }
 364
 365     gmx_sumi(F_NRE, cl, cr);
 366
 367     if (DDMASTER(dd))
 368     {
 369         if (fplog)
 370         {
 371             fprintf(fplog, "\nA list of missing interactions:\n");
 372         }
 373         fprintf(stderr, "\nA list of missing interactions:\n");
 374         rest_global = dd->nbonded_global;
 375         rest_local  = local_count;
 376         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 377         {
 378             /* In the reverse and local top all constraints are merged
 379              * into F_CONSTR. So in the if statement we skip F_CONSTRNC
 380              * and add these constraints when doing F_CONSTR.
 381              */
 382             if (((interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
 383                  (dd->reverse_top->bBCheck
 384                   || !(interaction_function[ftype].flags & IF_LIMZERO)))
 385                 || (dd->reverse_top->bConstr && ftype == F_CONSTR)
 386                 || (dd->reverse_top->bSettle && ftype == F_SETTLE))
 387             {
 388                 n    = gmx_mtop_ftype_count(top_global, ftype);
 389                 if (ftype == F_CONSTR)
 390                 {
 391                     n += gmx_mtop_ftype_count(top_global, F_CONSTRNC);
 392                 }
 393                 ndiff = cl[ftype] - n;
 394                 if (ndiff != 0)
 395                 {
 396                     sprintf(buf, "%20s of %6d missing %6d",
 397                             interaction_function[ftype].longname, n, -ndiff);
 398                     if (fplog)
 399                     {
 400                         fprintf(fplog, "%s\n", buf);
 401                     }
 402                     fprintf(stderr, "%s\n", buf);
 403                 }
 404                 rest_global -= n;
 405                 rest_local  -= cl[ftype];
 406             }
 407         }
 408
 409         ndiff = rest_local - rest_global;
 410         if (ndiff != 0)
 411         {
 412             sprintf(buf, "%20s of %6d missing %6d", "exclusions",
 413                     rest_global, -ndiff);
 414             if (fplog)
 415             {
 416                 fprintf(fplog, "%s\n", buf);
 417             }
 418             fprintf(stderr, "%s\n", buf);
 419         }
 420     }
 421
 422     print_missing_interactions_atoms(fplog, cr, top_global, &top_local->idef);
 423     write_dd_pdb("dd_dump_err", 0, "dump", top_global, cr,
 424                  -1, as_rvec_array(state_local->x.data()), state_local->box);
 425
 426     std::string errorMessage;
 427
 428     if (ndiff_tot > 0)
 429     {
 430         errorMessage = "One or more interactions were assigned to multiple domains of the domain decompostion. Please report this bug.";
 431     }
 432     else
 433     {
 434         errorMessage = gmx::formatString("%d of the %d bonded interactions could not be calculated because some atoms involved moved further apart than the multi-body cut-off distance (%g nm) or the two-body cut-off distance (%g nm), see option -rdd, for pairs and tabulated bonds also see option -ddcheck", -ndiff_tot, cr->dd->nbonded_global, dd_cutoff_multibody(dd), dd_cutoff_twobody(dd));
 435     }
 436     gmx_fatal_collective(FARGS, cr->mpi_comm_mygroup, MASTER(cr), errorMessage.c_str());
 437 }
 438
 439 /*! \brief Return global topology molecule information for global atom index \p i_gl */
 440 static void global_atomnr_to_moltype_ind(gmx_reverse_top_t *rt, int i_gl,
 441                                          int *mb, int *mt, int *mol, int *i_mol)
 442 {
 443     molblock_ind_t *mbi   = rt->mbi;
 444     int             start = 0;
 445     int             end   = rt->nmolblock; /* exclusive */
 446     int             mid;
 447
 448     /* binary search for molblock_ind */
 449     while (TRUE)
 450     {
 451         mid = (start+end)/2;
 452         if (i_gl >= mbi[mid].a_end)
 453         {
 454             start = mid+1;
 455         }
 456         else if (i_gl < mbi[mid].a_start)
 457         {
 458             end = mid;
 459         }
 460         else
 461         {
 462             break;
 463         }
 464     }
 465
 466     *mb  = mid;
 467     mbi += mid;
 468
 469     *mt    = mbi->type;
 470     *mol   = (i_gl - mbi->a_start) / mbi->natoms_mol;
 471     *i_mol = (i_gl - mbi->a_start) - (*mol)*mbi->natoms_mol;
 472 }
 473
 474 /*! \brief Count the exclusions for all atoms in \p cgs */
 475 static void count_excls(const t_block *cgs, const t_blocka *excls,
 476                         int *n_excl, int *n_intercg_excl, int *n_excl_at_max)
 477 {
 478     int cg, at0, at1, at, excl, atj;
 479
 480     *n_excl         = 0;
 481     *n_intercg_excl = 0;
 482     *n_excl_at_max  = 0;
 483     for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 484     {
 485         at0 = cgs->index[cg];
 486         at1 = cgs->index[cg+1];
 487         for (at = at0; at < at1; at++)
 488         {
 489             for (excl = excls->index[at]; excl < excls->index[at+1]; excl++)
 490             {
 491                 atj = excls->a[excl];
 492                 if (atj > at)
 493                 {
 494                     (*n_excl)++;
 495                     if (atj < at0 || atj >= at1)
 496                     {
 497                         (*n_intercg_excl)++;
 498                     }
 499                 }
 500             }
 501
 502             *n_excl_at_max = std::max(*n_excl_at_max,
 503                                       excls->index[at+1] - excls->index[at]);
 504         }
 505     }
 506 }
 507
 508 /*! \brief Run the reverse ilist generation and store it in r_il when \p bAssign = TRUE */
 509 static int low_make_reverse_ilist(const t_ilist *il_mt, const t_atom *atom,
 510                                   const int * const * vsite_pbc,
 511                                   int *count,
 512                                   gmx_bool bConstr, gmx_bool bSettle,
 513                                   gmx_bool bBCheck,
 514                                   int *r_index, int *r_il,
 515                                   gmx_bool bLinkToAllAtoms,
 516                                   gmx_bool bAssign)
 517 {
 518     int            ftype, nral, i, j, nlink, link;
 519     const t_ilist *il;
 520     const t_iatom *ia;
 521     int            a;
 522     int            nint;
 523     gmx_bool       bVSite;
 524
 525     nint = 0;
 526     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 527     {
 528         if ((interaction_function[ftype].flags & (IF_BOND | IF_VSITE)) ||
 529             (bConstr && (ftype == F_CONSTR || ftype == F_CONSTRNC)) ||
 530             (bSettle && ftype == F_SETTLE))
 531         {
 532             bVSite = (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE);
 533             nral   = NRAL(ftype);
 534             il     = &il_mt[ftype];
 535             for (i = 0; i < il->nr; i += 1+nral)
 536             {
 537                 ia = il->iatoms + i;
 538                 if (bLinkToAllAtoms)
 539                 {
 540                     if (bVSite)
 541                     {
 542                         /* We don't need the virtual sites for the cg-links */
 543                         nlink = 0;
 544                     }
 545                     else
 546                     {
 547                         nlink = nral;
 548                     }
 549                 }
 550                 else
 551                 {
 552                     /* Couple to the first atom in the interaction */
 553                     nlink = 1;
 554                 }
 555                 for (link = 0; link < nlink; link++)
 556                 {
 557                     a = ia[1+link];
 558                     if (bAssign)
 559                     {
 560                         assert(r_il); //with bAssign not allowed to be null
 561                         assert(r_index);
 562                         r_il[r_index[a]+count[a]] =
 563                             (ftype == F_CONSTRNC ? F_CONSTR : ftype);
 564                         r_il[r_index[a]+count[a]+1] = ia[0];
 565                         for (j = 1; j < 1+nral; j++)
 566                         {
 567                             /* Store the molecular atom number */
 568                             r_il[r_index[a]+count[a]+1+j] = ia[j];
 569                         }
 570                     }
 571                     if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
 572                     {
 573                         if (bAssign)
 574                         {
 575                             /* Add an entry to iatoms for storing
 576                              * which of the constructing atoms are
 577                              * vsites again.
 578                              */
 579                             r_il[r_index[a]+count[a]+2+nral] = 0;
 580                             for (j = 2; j < 1+nral; j++)
 581                             {
 582                                 if (atom[ia[j]].ptype == eptVSite)
 583                                 {
 584                                     r_il[r_index[a]+count[a]+2+nral] |= (2<<j);
 585                                 }
 586                             }
 587                             /* Store vsite pbc atom in a second extra entry */
 588                             r_il[r_index[a]+count[a]+2+nral+1] =
 589                                 (vsite_pbc ? vsite_pbc[ftype-F_VSITE2][i/(1+nral)] : -2);
 590                         }
 591                     }
 592                     else
 593                     {
 594                         /* We do not count vsites since they are always
 595                          * uniquely assigned and can be assigned
 596                          * to multiple nodes with recursive vsites.
 597                          */
 598                         if (bBCheck ||
 599                             !(interaction_function[ftype].flags & IF_LIMZERO))
 600                         {
 601                             nint++;
 602                         }
 603                     }
 604                     count[a] += 2 + nral_rt(ftype);
 605                 }
 606             }
 607         }
 608     }
 609
 610     return nint;
 611 }
 612
 613 /*! \brief Make the reverse ilist: a list of bonded interactions linked to atoms */
 614 static int make_reverse_ilist(const t_ilist *ilist,
 615                               const t_atoms *atoms,
 616                               const int * const * vsite_pbc,
 617                               gmx_bool bConstr, gmx_bool bSettle,
 618                               gmx_bool bBCheck,
 619                               gmx_bool bLinkToAllAtoms,
 620                               reverse_ilist_t *ril_mt)
 621 {
 622     int nat_mt, *count, i, nint_mt;
 623
 624     /* Count the interactions */
 625     nat_mt = atoms->nr;
 626     snew(count, nat_mt);
 627     low_make_reverse_ilist(ilist, atoms->atom, vsite_pbc,
 628                            count,
 629                            bConstr, bSettle, bBCheck, nullptr, nullptr,
 630                            bLinkToAllAtoms, FALSE);
 631
 632     snew(ril_mt->index, nat_mt+1);
 633     ril_mt->index[0] = 0;
 634     for (i = 0; i < nat_mt; i++)
 635     {
 636         ril_mt->index[i+1] = ril_mt->index[i] + count[i];
 637         count[i]           = 0;
 638     }
 639     snew(ril_mt->il, ril_mt->index[nat_mt]);
 640
 641     /* Store the interactions */
 642     nint_mt =
 643         low_make_reverse_ilist(ilist, atoms->atom, vsite_pbc,
 644                                count,
 645                                bConstr, bSettle, bBCheck,
 646                                ril_mt->index, ril_mt->il,
 647                                bLinkToAllAtoms, TRUE);
 648
 649     sfree(count);
 650
 651     return nint_mt;
 652 }
 653
 654 /*! \brief Destroys a reverse_ilist_t struct */
 655 static void destroy_reverse_ilist(reverse_ilist_t *ril)
 656 {
 657     sfree(ril->index);
 658     sfree(ril->il);
 659 }
 660
 661 /*! \brief Generate the reverse topology */
 662 static gmx_reverse_top_t *make_reverse_top(const gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bFE,
 663                                            const int * const * const * vsite_pbc_molt,
 664                                            gmx_bool bConstr, gmx_bool bSettle,
 665                                            gmx_bool bBCheck, int *nint)
 666 {
 667     int                mt, i, mb;
 668     gmx_reverse_top_t *rt;
 669     int               *nint_mt;
 670     gmx_moltype_t     *molt;
 671     int                thread;
 672
 673     snew(rt, 1);
 674
 675     /* Should we include constraints (for SHAKE) in rt? */
 676     rt->bConstr = bConstr;
 677     rt->bSettle = bSettle;
 678     rt->bBCheck = bBCheck;
 679
 680     rt->bInterCGInteractions = mtop->bIntermolecularInteractions;
 681     snew(nint_mt, mtop->nmoltype);
 682     snew(rt->ril_mt, mtop->nmoltype);
 683     rt->ril_mt_tot_size = 0;
 684     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
 685     {
 686         molt = &mtop->moltype[mt];
 687         if (molt->cgs.nr > 1)
 688         {
 689             rt->bInterCGInteractions = TRUE;
 690         }
 691
 692         /* Make the atom to interaction list for this molecule type */
 693         nint_mt[mt] =
 694             make_reverse_ilist(molt->ilist, &molt->atoms,
 695                                vsite_pbc_molt ? vsite_pbc_molt[mt] : nullptr,
 696                                rt->bConstr, rt->bSettle, rt->bBCheck, FALSE,
 697                                &rt->ril_mt[mt]);
 698
 699         rt->ril_mt_tot_size += rt->ril_mt[mt].index[molt->atoms.nr];
 700     }
 701     if (debug)
 702     {
 703         fprintf(debug, "The total size of the atom to interaction index is %d integers\n", rt->ril_mt_tot_size);
 704     }
 705
 706     *nint = 0;
 707     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 708     {
 709         *nint += mtop->molblock[mb].nmol*nint_mt[mtop->molblock[mb].type];
 710     }
 711     sfree(nint_mt);
 712
 713     /* Make an intermolecular reverse top, if necessary */
 714     rt->bIntermolecularInteractions = mtop->bIntermolecularInteractions;
 715     if (rt->bIntermolecularInteractions)
 716     {
 717         t_atoms atoms_global;
 718
 719         rt->ril_intermol.index = nullptr;
 720         rt->ril_intermol.il    = nullptr;
 721
 722         atoms_global.nr   = mtop->natoms;
 723         atoms_global.atom = nullptr; /* Only used with virtual sites */
 724
 725         *nint +=
 726             make_reverse_ilist(mtop->intermolecular_ilist, &atoms_global,
 727                                nullptr,
 728                                rt->bConstr, rt->bSettle, rt->bBCheck, FALSE,
 729                                &rt->ril_intermol);
 730     }
 731
 732     if (bFE && gmx_mtop_bondeds_free_energy(mtop))
 733     {
 734         rt->ilsort = ilsortFE_UNSORTED;
 735     }
 736     else
 737     {
 738         rt->ilsort = ilsortNO_FE;
 739     }
 740
 741     /* Make a molblock index for fast searching */
 742     snew(rt->mbi, mtop->nmolblock);
 743     rt->nmolblock = mtop->nmolblock;
 744     i             = 0;
 745     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 746     {
 747         rt->mbi[mb].a_start    = i;
 748         i += mtop->molblock[mb].nmol*mtop->molblock[mb].natoms_mol;
 749         rt->mbi[mb].a_end      = i;
 750         rt->mbi[mb].natoms_mol = mtop->molblock[mb].natoms_mol;
 751         rt->mbi[mb].type       = mtop->molblock[mb].type;
 752     }
 753
 754     rt->nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntDomdec);
 755     snew(rt->th_work, rt->nthread);
 756     if (vsite_pbc_molt != nullptr)
 757     {
 758         for (thread = 0; thread < rt->nthread; thread++)
 759         {
 760             snew(rt->th_work[thread].vsite_pbc, F_VSITEN-F_VSITE2+1);
 761             snew(rt->th_work[thread].vsite_pbc_nalloc, F_VSITEN-F_VSITE2+1);
 762         }
 763     }
 764
 765     return rt;
 766 }
 767
 768 void dd_make_reverse_top(FILE *fplog,
 769                          gmx_domdec_t *dd, const gmx_mtop_t *mtop,
 770                          const gmx_vsite_t *vsite,
 771                          const t_inputrec *ir, gmx_bool bBCheck)
 772 {
 773     if (fplog)
 774     {
 775         fprintf(fplog, "\nLinking all bonded interactions to atoms\n");
 776     }
 777
 778     /* If normal and/or settle constraints act only within charge groups,
 779      * we can store them in the reverse top and simply assign them to domains.
 780      * Otherwise we need to assign them to multiple domains and set up
 781      * the parallel version constraint algorithm(s).
 782      */
 783
 784     dd->reverse_top = make_reverse_top(mtop, ir->efep != efepNO,
 785                                        vsite ? vsite->vsite_pbc_molt : nullptr,
 786                                        !dd->bInterCGcons, !dd->bInterCGsettles,
 787                                        bBCheck, &dd->nbonded_global);
 788
 789     gmx_reverse_top_t *rt = dd->reverse_top;
 790
 791     if (rt->ril_mt_tot_size >= 200000 &&
 792         mtop->mols.nr > 1 &&
 793         mtop->nmolblock == 1 && mtop->molblock[0].nmol == 1)
 794     {
 795         /* mtop comes from a pre Gromacs 4 tpr file */
 796         const char *note = "NOTE: The tpr file used for this simulation is in an old format, for less memory usage and possibly more performance create a new tpr file with an up to date version of grompp";
 797         if (fplog)
 798         {
 799             fprintf(fplog, "\n%s\n\n", note);
 800         }
 801         if (DDMASTER(dd))
 802         {
 803             fprintf(stderr, "\n%s\n\n", note);
 804         }
 805     }
 806
 807     /* With the Verlet scheme, exclusions are handled in the non-bonded
 808      * kernels and only exclusions inside the cut-off lead to exclusion
 809      * forces. Since each atom pair is treated at most once in the non-bonded
 810      * kernels, it doesn't matter if the exclusions for the same atom pair
 811      * appear multiple times in the exclusion list. In contrast, the, old,
 812      * group cut-off scheme loops over a list of exclusions, so there each
 813      * excluded pair should appear exactly once.
 814      */
 815     rt->bExclRequired = (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
 816                          inputrecExclForces(ir));
 817
 818     int nexcl, mb;
 819
 820     nexcl              = 0;
 821     dd->n_intercg_excl = 0;
 822     rt->n_excl_at_max  = 0;
 823     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 824     {
 825         gmx_molblock_t *molb;
 826         gmx_moltype_t  *molt;
 827         int             n_excl_mol, n_excl_icg, n_excl_at_max;
 828
 829         molb                = &mtop->molblock[mb];
 830         molt                = &mtop->moltype[molb->type];
 831         count_excls(&molt->cgs, &molt->excls,
 832                     &n_excl_mol, &n_excl_icg, &n_excl_at_max);
 833         nexcl              += molb->nmol*n_excl_mol;
 834         dd->n_intercg_excl += molb->nmol*n_excl_icg;
 835         rt->n_excl_at_max   = std::max(rt->n_excl_at_max, n_excl_at_max);
 836     }
 837     if (rt->bExclRequired)
 838     {
 839         dd->nbonded_global += nexcl;
 840         if (EEL_FULL(ir->coulombtype) && dd->n_intercg_excl > 0 && fplog)
 841         {
 842             fprintf(fplog, "There are %d inter charge-group exclusions,\n"
 843                     "will use an extra communication step for exclusion forces for %s\n",
 844                     dd->n_intercg_excl, eel_names[ir->coulombtype]);
 845         }
 846     }
 847
 848     if (vsite && vsite->n_intercg_vsite > 0)
 849     {
 850         if (fplog)
 851         {
 852             fprintf(fplog, "There are %d inter charge-group virtual sites,\n"
 853                     "will an extra communication step for selected coordinates and forces\n",
 854                     vsite->n_intercg_vsite);
 855         }
 856         init_domdec_vsites(dd, vsite->n_intercg_vsite);
 857     }
 858
 859     if (dd->bInterCGcons || dd->bInterCGsettles)
 860     {
 861         init_domdec_constraints(dd, mtop);
 862     }
 863     if (fplog)
 864     {
 865         fprintf(fplog, "\n");
 866     }
 867 }
 868
 869 /*! \brief Store a vsite interaction at the end of \p il
 870  *
 871  * This routine is very similar to add_ifunc, but vsites interactions
 872  * have more work to do than other kinds of interactions, and the
 873  * complex way nral (and thus vector contents) depends on ftype
 874  * confuses static analysis tools unless we fuse the vsite
 875  * atom-indexing organization code with the ifunc-adding code, so that
 876  * they can see that nral is the same value. */
 877 static gmx_inline void
 878 add_ifunc_for_vsites(t_iatom *tiatoms, gmx_ga2la_t *ga2la,
 879                      int nral, gmx_bool bHomeA,
 880                      int a, int a_gl, int a_mol,
 881                      const t_iatom *iatoms,
 882                      t_ilist *il)
 883 {
 884     t_iatom *liatoms;
 885
 886     if (il->nr+1+nral > il->nalloc)
 887     {
 888         il->nalloc = over_alloc_large(il->nr+1+nral);
 889         srenew(il->iatoms, il->nalloc);
 890     }
 891     liatoms = il->iatoms + il->nr;
 892     il->nr += 1 + nral;
 893
 894     /* Copy the type */
 895     tiatoms[0] = iatoms[0];
 896
 897     if (bHomeA)
 898     {
 899         /* We know the local index of the first atom */
 900         tiatoms[1] = a;
 901     }
 902     else
 903     {
 904         /* Convert later in make_local_vsites */
 905         tiatoms[1] = -a_gl - 1;
 906     }
 907
 908     for (int k = 2; k < 1+nral; k++)
 909     {
 910         int ak_gl = a_gl + iatoms[k] - a_mol;
 911         if (!ga2la_get_home(ga2la, ak_gl, &tiatoms[k]))
 912         {
 913             /* Copy the global index, convert later in make_local_vsites */
 914             tiatoms[k] = -(ak_gl + 1);
 915         }
 916         // Note that ga2la_get_home always sets the third parameter if
 917         // it returns TRUE
 918     }
 919     for (int k = 0; k < 1+nral; k++)
 920     {
 921         liatoms[k] = tiatoms[k];
 922     }
 923 }
 924
 925 /*! \brief Store a bonded interaction at the end of \p il */
 926 static gmx_inline void add_ifunc(int nral, t_iatom *tiatoms, t_ilist *il)
 927 {
 928     t_iatom *liatoms;
 929     int      k;
 930
 931     if (il->nr+1+nral > il->nalloc)
 932     {
 933         il->nalloc = over_alloc_large(il->nr+1+nral);
 934         srenew(il->iatoms, il->nalloc);
 935     }
 936     liatoms = il->iatoms + il->nr;
 937     for (k = 0; k <= nral; k++)
 938     {
 939         liatoms[k] = tiatoms[k];
 940     }
 941     il->nr += 1 + nral;
 942 }
 943
 944 /*! \brief Store a position restraint in idef and iatoms, complex because the parameters are different for each entry */
 945 static void add_posres(int mol, int a_mol, const gmx_molblock_t *molb,
 946                        t_iatom *iatoms, const t_iparams *ip_in,
 947                        t_idef *idef)
 948 {
 949     int        n, a_molb;
 950     t_iparams *ip;
 951
 952     /* This position restraint has not been added yet,
 953      * so it's index is the current number of position restraints.
 954      */
 955     n = idef->il[F_POSRES].nr/2;
 956     if (n+1 > idef->iparams_posres_nalloc)
 957     {
 958         idef->iparams_posres_nalloc = over_alloc_dd(n+1);
 959         srenew(idef->iparams_posres, idef->iparams_posres_nalloc);
 960     }
 961     ip = &idef->iparams_posres[n];
 962     /* Copy the force constants */
 963     *ip = ip_in[iatoms[0]];
 964
 965     /* Get the position restraint coordinates from the molblock */
 966     a_molb = mol*molb->natoms_mol + a_mol;
 967     if (a_molb >= molb->nposres_xA)
 968     {
 969         gmx_incons("Not enough position restraint coordinates");
 970     }
 971     ip->posres.pos0A[XX] = molb->posres_xA[a_molb][XX];
 972     ip->posres.pos0A[YY] = molb->posres_xA[a_molb][YY];
 973     ip->posres.pos0A[ZZ] = molb->posres_xA[a_molb][ZZ];
 974     if (molb->nposres_xB > 0)
 975     {
 976         ip->posres.pos0B[XX] = molb->posres_xB[a_molb][XX];
 977         ip->posres.pos0B[YY] = molb->posres_xB[a_molb][YY];
 978         ip->posres.pos0B[ZZ] = molb->posres_xB[a_molb][ZZ];
 979     }
 980     else
 981     {
 982         ip->posres.pos0B[XX] = ip->posres.pos0A[XX];
 983         ip->posres.pos0B[YY] = ip->posres.pos0A[YY];
 984         ip->posres.pos0B[ZZ] = ip->posres.pos0A[ZZ];
 985     }
 986     /* Set the parameter index for idef->iparams_posre */
 987     iatoms[0] = n;
 988 }
 989
 990 /*! \brief Store a flat-bottomed position restraint in idef and iatoms, complex because the parameters are different for each entry */
 991 static void add_fbposres(int mol, int a_mol, const gmx_molblock_t *molb,
 992                          t_iatom *iatoms, const t_iparams *ip_in,
 993                          t_idef *idef)
 994 {
 995     int        n, a_molb;
 996     t_iparams *ip;
 997
 998     /* This flat-bottom position restraint has not been added yet,
 999      * so it's index is the current number of position restraints.
1000      */
1001     n = idef->il[F_FBPOSRES].nr/2;
1002     if (n+1 > idef->iparams_fbposres_nalloc)
1003     {
1004         idef->iparams_fbposres_nalloc = over_alloc_dd(n+1);
1005         srenew(idef->iparams_fbposres, idef->iparams_fbposres_nalloc);
1006     }
1007     ip = &idef->iparams_fbposres[n];
1008     /* Copy the force constants */
1009     *ip = ip_in[iatoms[0]];
1010
1011     /* Get the position restriant coordinats from the molblock */
1012     a_molb = mol*molb->natoms_mol + a_mol;
1013     if (a_molb >= molb->nposres_xA)
1014     {
1015         gmx_incons("Not enough position restraint coordinates");
1016     }
1017     /* Take reference positions from A position of normal posres */
1018     ip->fbposres.pos0[XX] = molb->posres_xA[a_molb][XX];
1019     ip->fbposres.pos0[YY] = molb->posres_xA[a_molb][YY];
1020     ip->fbposres.pos0[ZZ] = molb->posres_xA[a_molb][ZZ];
1021
1022     /* Note: no B-type for flat-bottom posres */
1023
1024     /* Set the parameter index for idef->iparams_posre */
1025     iatoms[0] = n;
1026 }
1027
1028 /*! \brief Store a virtual site interaction, complex because of PBC and recursion */
1029 static void add_vsite(gmx_ga2la_t *ga2la, const int *index, const int *rtil,
1030                       int ftype, int nral,
1031                       gmx_bool bHomeA, int a, int a_gl, int a_mol,
1032                       const t_iatom *iatoms,
1033                       t_idef *idef, int **vsite_pbc, int *vsite_pbc_nalloc)
1034 {
1035     int     k, vsi, pbc_a_mol;
1036     t_iatom tiatoms[1+MAXATOMLIST];
1037     int     j, ftype_r, nral_r;
1038
1039     /* Add this interaction to the local topology */
1040     add_ifunc_for_vsites(tiatoms, ga2la, nral, bHomeA, a, a_gl, a_mol, iatoms, &idef->il[ftype]);
1041
1042     if (vsite_pbc)
1043     {
1044         vsi = idef->il[ftype].nr/(1+nral) - 1;
1045         if (vsi >= vsite_pbc_nalloc[ftype-F_VSITE2])
1046         {
1047             vsite_pbc_nalloc[ftype-F_VSITE2] = over_alloc_large(vsi+1);
1048             srenew(vsite_pbc[ftype-F_VSITE2], vsite_pbc_nalloc[ftype-F_VSITE2]);
1049         }
1050         if (bHomeA)
1051         {
1052             pbc_a_mol = iatoms[1+nral+1];
1053             if (pbc_a_mol < 0)
1054             {
1055                 /* The pbc flag is one of the following two options:
1056                  * -2: vsite and all constructing atoms are within the same cg, no pbc
1057                  * -1: vsite and its first constructing atom are in the same cg, do pbc
1058                  */
1059                 vsite_pbc[ftype-F_VSITE2][vsi] = pbc_a_mol;
1060             }
1061             else
1062             {
1063                 /* Set the pbc atom for this vsite so we can make its pbc
1064                  * identical to the rest of the atoms in its charge group.
1065                  * Since the order of the atoms does not change within a charge
1066                  * group, we do not need the global to local atom index.
1067                  */
1068                 vsite_pbc[ftype-F_VSITE2][vsi] = a + pbc_a_mol - iatoms[1];
1069             }
1070         }
1071         else
1072         {
1073             /* This vsite is non-home (required for recursion),
1074              * and therefore there is no charge group to match pbc with.
1075              * But we always turn on full_pbc to assure that higher order
1076              * recursion works correctly.
1077              */
1078             vsite_pbc[ftype-F_VSITE2][vsi] = -1;
1079         }
1080     }
1081
1082     if (iatoms[1+nral])
1083     {
1084         /* Check for recursion */
1085         for (k = 2; k < 1+nral; k++)
1086         {
1087             if ((iatoms[1+nral] & (2<<k)) && (tiatoms[k] < 0))
1088             {
1089                 /* This construction atoms is a vsite and not a home atom */
1090                 if (gmx_debug_at)
1091                 {
1092                     fprintf(debug, "Constructing atom %d of vsite atom %d is a vsite and non-home\n", iatoms[k]+1, a_mol+1);
1093                 }
1094                 /* Find the vsite construction */
1095
1096                 /* Check all interactions assigned to this atom */
1097                 j = index[iatoms[k]];
1098                 while (j < index[iatoms[k]+1])
1099                 {
1100                     ftype_r = rtil[j++];
1101                     nral_r  = NRAL(ftype_r);
1102                     if (interaction_function[ftype_r].flags & IF_VSITE)
1103                     {
1104                         /* Add this vsite (recursion) */
1105                         add_vsite(ga2la, index, rtil, ftype_r, nral_r,
1106                                   FALSE, -1, a_gl+iatoms[k]-iatoms[1], iatoms[k],
1107                                   rtil+j, idef, vsite_pbc, vsite_pbc_nalloc);
1108                         j += 1 + nral_r + 2;
1109                     }
1110                     else
1111                     {
1112                         j += 1 + nral_r;
1113                     }
1114                 }
1115             }
1116         }
1117     }
1118 }
1119
1120 /*! \brief Update the local atom to local charge group index */
1121 static void make_la2lc(gmx_domdec_t *dd)
1122 {
1123     int *cgindex, *la2lc, cg, a;
1124
1125     cgindex = dd->cgindex;
1126
1127     if (dd->nat_tot > dd->la2lc_nalloc)
1128     {
1129         dd->la2lc_nalloc = over_alloc_dd(dd->nat_tot);
1130         snew(dd->la2lc, dd->la2lc_nalloc);
1131     }
1132     la2lc = dd->la2lc;
1133
1134     /* Make the local atom to local cg index */
1135     for (cg = 0; cg < dd->ncg_tot; cg++)
1136     {
1137         for (a = cgindex[cg]; a < cgindex[cg+1]; a++)
1138         {
1139             la2lc[a] = cg;
1140         }
1141     }
1142 }
1143
1144 /*! \brief Returns the squared distance between charge groups \p i and \p j */
1145 static real dd_dist2(t_pbc *pbc_null, rvec *cg_cm, const int *la2lc, int i, int j)
1146 {
1147     rvec dx;
1148
1149     if (pbc_null)
1150     {
1151         pbc_dx_aiuc(pbc_null, cg_cm[la2lc[i]], cg_cm[la2lc[j]], dx);
1152     }
1153     else
1154     {
1155         rvec_sub(cg_cm[la2lc[i]], cg_cm[la2lc[j]], dx);
1156     }
1157
1158     return norm2(dx);
1159 }
1160
1161 /*! \brief Append t_blocka block structures 1 to nsrc in src to *dest */
1162 static void combine_blocka(t_blocka *dest, const thread_work_t *src, int nsrc)
1163 {
1164     int ni, na, s, i;
1165
1166     ni = src[nsrc-1].excl.nr;
1167     na = 0;
1168     for (s = 0; s < nsrc; s++)
1169     {
1170         na += src[s].excl.nra;
1171     }
1172     if (ni + 1 > dest->nalloc_index)
1173     {
1174         dest->nalloc_index = over_alloc_large(ni+1);
1175         srenew(dest->index, dest->nalloc_index);
1176     }
1177     if (dest->nra + na > dest->nalloc_a)
1178     {
1179         dest->nalloc_a = over_alloc_large(dest->nra+na);
1180         srenew(dest->a, dest->nalloc_a);
1181     }
1182     for (s = 1; s < nsrc; s++)
1183     {
1184         for (i = dest->nr+1; i < src[s].excl.nr+1; i++)
1185         {
1186             dest->index[i] = dest->nra + src[s].excl.index[i];
1187         }
1188         for (i = 0; i < src[s].excl.nra; i++)
1189         {
1190             dest->a[dest->nra+i] = src[s].excl.a[i];
1191         }
1192         dest->nr   = src[s].excl.nr;
1193         dest->nra += src[s].excl.nra;
1194     }
1195 }
1196
1197 /*! \brief Append t_idef structures 1 to nsrc in src to *dest,
1198  * virtual sites need special attention, as pbc info differs per vsite.
1199  */
1200 static void combine_idef(t_idef *dest, const thread_work_t *src, int nsrc,
1201                          gmx_vsite_t *vsite)
1202 {
1203     int ftype;
1204
1205     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1206     {
1207         int n, s;
1208
1209         n = 0;
1210         for (s = 1; s < nsrc; s++)
1211         {
1212             n += src[s].idef.il[ftype].nr;
1213         }
1214         if (n > 0)
1215         {
1216             t_ilist *ild;
1217
1218             ild = &dest->il[ftype];
1219
1220             if (ild->nr + n > ild->nalloc)
1221             {
1222                 ild->nalloc = over_alloc_large(ild->nr+n);
1223                 srenew(ild->iatoms, ild->nalloc);
1224             }
1225
1226             gmx_bool vpbc;
1227             int      nral1 = 0, ftv = 0;
1228
1229             vpbc = ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
1230                     vsite->vsite_pbc_loc != nullptr);
1231             if (vpbc)
1232             {
1233                 nral1 = 1 + NRAL(ftype);
1234                 ftv   = ftype - F_VSITE2;
1235                 if ((ild->nr + n)/nral1 > vsite->vsite_pbc_loc_nalloc[ftv])
1236                 {
1237                     vsite->vsite_pbc_loc_nalloc[ftv] =
1238                         over_alloc_large((ild->nr + n)/nral1);
1239                     srenew(vsite->vsite_pbc_loc[ftv],
1240                            vsite->vsite_pbc_loc_nalloc[ftv]);
1241                 }
1242             }
1243
1244             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1245             {
1246                 const t_ilist *ils;
1247                 int            i;
1248
1249                 ils = &src[s].idef.il[ftype];
1250                 for (i = 0; i < ils->nr; i++)
1251                 {
1252                     ild->iatoms[ild->nr+i] = ils->iatoms[i];
1253                 }
1254                 if (vpbc)
1255                 {
1256                     for (i = 0; i < ils->nr; i += nral1)
1257                     {
1258                         vsite->vsite_pbc_loc[ftv][(ild->nr+i)/nral1] =
1259                             src[s].vsite_pbc[ftv][i/nral1];
1260                     }
1261                 }
1262
1263                 ild->nr += ils->nr;
1264             }
1265
1266             /* Position restraints need an additional treatment */
1267             if (ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES)
1268             {
1269                 int          nposres       = dest->il[ftype].nr/2;
1270                 // TODO: Simplify this code using std::vector
1271                 t_iparams * &iparams_dest  = (ftype == F_POSRES ? dest->iparams_posres : dest->iparams_fbposres);
1272                 int         &posres_nalloc = (ftype == F_POSRES ? dest->iparams_posres_nalloc : dest->iparams_fbposres_nalloc);
1273                 if (nposres > posres_nalloc)
1274                 {
1275                     posres_nalloc = over_alloc_large(nposres);
1276                     srenew(iparams_dest, posres_nalloc);
1277                 }
1278
1279                 /* Set nposres to the number of original position restraints in dest */
1280                 for (int s = 1; s < nsrc; s++)
1281                 {
1282                     nposres -= src[s].idef.il[ftype].nr/2;
1283                 }
1284
1285                 for (int s = 1; s < nsrc; s++)
1286                 {
1287                     const t_iparams *iparams_src = (ftype == F_POSRES ? src[s].idef.iparams_posres : src[s].idef.iparams_fbposres);
1288
1289                     for (int i = 0; i < src[s].idef.il[ftype].nr/2; i++)
1290                     {
1291                         /* Correct the index into iparams_posres */
1292                         dest->il[ftype].iatoms[nposres*2] = nposres;
1293                         /* Copy the position restraint force parameters */
1294                         iparams_dest[nposres]             = iparams_src[i];
1295                         nposres++;
1296                     }
1297                 }
1298             }
1299         }
1300     }
1301 }
1302
1303 /*! \brief Check and when available assign bonded interactions for local atom i
1304  */
1305 static gmx_inline void
1306 check_assign_interactions_atom(int i, int i_gl,
1307                                int mol, int i_mol,
1308                                const int *index, const int *rtil,
1309                                gmx_bool bInterMolInteractions,
1310                                int ind_start, int ind_end,
1311                                const gmx_domdec_t *dd,
1312                                const gmx_domdec_zones_t *zones,
1313                                const gmx_molblock_t *molb,
1314                                gmx_bool bRCheckMB, ivec rcheck, gmx_bool bRCheck2B,
1315                                real rc2,
1316                                int *la2lc,
1317                                t_pbc *pbc_null,
1318                                rvec *cg_cm,
1319                                const t_iparams *ip_in,
1320                                t_idef *idef,
1321                                int **vsite_pbc, int *vsite_pbc_nalloc,
1322                                int iz,
1323                                gmx_bool bBCheck,
1324                                int *nbonded_local)
1325 {
1326     int j;
1327
1328     j = ind_start;
1329     while (j < ind_end)
1330     {
1331         int            ftype;
1332         const t_iatom *iatoms;
1333         int            nral;
1334         t_iatom        tiatoms[1 + MAXATOMLIST];
1335
1336         ftype  = rtil[j++];
1337         iatoms = rtil + j;
1338         nral   = NRAL(ftype);
1339         if (ftype == F_SETTLE)
1340         {
1341             /* Settles are only in the reverse top when they
1342              * operate within a charge group. So we can assign
1343              * them without checks. We do this only for performance
1344              * reasons; it could be handled by the code below.
1345              */
1346             if (iz == 0)
1347             {
1348                 /* Home zone: add this settle to the local topology */
1349                 tiatoms[0] = iatoms[0];
1350                 tiatoms[1] = i;
1351                 tiatoms[2] = i + iatoms[2] - iatoms[1];
1352                 tiatoms[3] = i + iatoms[3] - iatoms[1];
1353                 add_ifunc(nral, tiatoms, &idef->il[ftype]);
1354                 (*nbonded_local)++;
1355             }
1356             j += 1 + nral;
1357         }
1358         else if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
1359         {
1360             assert(!bInterMolInteractions);
1361             /* The vsite construction goes where the vsite itself is */
1362             if (iz == 0)
1363             {
1364                 add_vsite(dd->ga2la, index, rtil, ftype, nral,
1365                           TRUE, i, i_gl, i_mol,
1366                           iatoms, idef, vsite_pbc, vsite_pbc_nalloc);
1367             }
1368             j += 1 + nral + 2;
1369         }
1370         else
1371         {
1372             gmx_bool bUse;
1373
1374             /* Copy the type */
1375             tiatoms[0] = iatoms[0];
1376
1377             if (nral == 1)
1378             {
1379                 assert(!bInterMolInteractions);
1380                 /* Assign single-body interactions to the home zone */
1381                 if (iz == 0)
1382                 {
1383                     bUse       = TRUE;
1384                     tiatoms[1] = i;
1385                     if (ftype == F_POSRES)
1386                     {
1387                         add_posres(mol, i_mol, molb, tiatoms, ip_in,
1388                                    idef);
1389                     }
1390                     else if (ftype == F_FBPOSRES)
1391                     {
1392                         add_fbposres(mol, i_mol, molb, tiatoms, ip_in,
1393                                      idef);
1394                     }
1395                 }
1396                 else
1397                 {
1398                     bUse = FALSE;
1399                 }
1400             }
1401             else if (nral == 2)
1402             {
1403                 /* This is a two-body interaction, we can assign
1404                  * analogous to the non-bonded assignments.
1405                  */
1406                 int k_gl, a_loc, kz;
1407
1408                 if (!bInterMolInteractions)
1409                 {
1410                     /* Get the global index using the offset in the molecule */
1411                     k_gl = i_gl + iatoms[2] - i_mol;
1412                 }
1413                 else
1414                 {
1415                     k_gl = iatoms[2];
1416                 }
1417                 if (!ga2la_get(dd->ga2la, k_gl, &a_loc, &kz))
1418                 {
1419                     bUse = FALSE;
1420                 }
1421                 else
1422                 {
1423                     if (kz >= zones->n)
1424                     {
1425                         kz -= zones->n;
1426                     }
1427                     /* Check zone interaction assignments */
1428                     bUse = ((iz < zones->nizone &&
1429                              iz <= kz &&
1430                              kz >= zones->izone[iz].j0 &&
1431                              kz <  zones->izone[iz].j1) ||
1432                             (kz < zones->nizone &&
1433                                   iz > kz &&
1434                              iz >= zones->izone[kz].j0 &&
1435                              iz <  zones->izone[kz].j1));
1436                     if (bUse)
1437                     {
1438                         tiatoms[1] = i;
1439                         tiatoms[2] = a_loc;
1440                         /* If necessary check the cgcm distance */
1441                         if (bRCheck2B &&
1442                             dd_dist2(pbc_null, cg_cm, la2lc,
1443                                      tiatoms[1], tiatoms[2]) >= rc2)
1444                         {
1445                             bUse = FALSE;
1446                         }
1447                     }
1448                 }
1449             }
1450             else
1451             {
1452                 /* Assign this multi-body bonded interaction to
1453                  * the local node if we have all the atoms involved
1454                  * (local or communicated) and the minimum zone shift
1455                  * in each dimension is zero, for dimensions
1456                  * with 2 DD cells an extra check may be necessary.
1457                  */
1458                 ivec k_zero, k_plus;
1459                 int  k;
1460
1461                 bUse = TRUE;
1462                 clear_ivec(k_zero);
1463                 clear_ivec(k_plus);
1464                 for (k = 1; k <= nral && bUse; k++)
1465                 {
1466                     gmx_bool bLocal;
1467                     int      k_gl, a_loc;
1468                     int      kz;
1469
1470                     if (!bInterMolInteractions)
1471                     {
1472                         /* Get the global index using the offset in the molecule */
1473                         k_gl = i_gl + iatoms[k] - i_mol;
1474                     }
1475                     else
1476                     {
1477                         k_gl = iatoms[k];
1478                     }
1479                     bLocal = ga2la_get(dd->ga2la, k_gl, &a_loc, &kz);
1480                     if (!bLocal || kz >= zones->n)
1481                     {
1482                         /* We do not have this atom of this interaction
1483                          * locally, or it comes from more than one cell
1484                          * away.
1485                          */
1486                         bUse = FALSE;
1487                     }
1488                     else
1489                     {
1490                         int d;
1491
1492                         tiatoms[k] = a_loc;
1493                         for (d = 0; d < DIM; d++)
1494                         {
1495                             if (zones->shift[kz][d] == 0)
1496                             {
1497                                 k_zero[d] = k;
1498                             }
1499                             else
1500                             {
1501                                 k_plus[d] = k;
1502                             }
1503                         }
1504                     }
1505                 }
1506                 bUse = (bUse &&
1507                         k_zero[XX] && k_zero[YY] && k_zero[ZZ]);
1508                 if (bRCheckMB)
1509                 {
1510                     int d;
1511
1512                     for (d = 0; (d < DIM && bUse); d++)
1513                     {
1514                         /* Check if the cg_cm distance falls within
1515                          * the cut-off to avoid possible multiple
1516                          * assignments of bonded interactions.
1517                          */
1518                         if (rcheck[d] &&
1519                             k_plus[d] &&
1520                             dd_dist2(pbc_null, cg_cm, la2lc,
1521                                      tiatoms[k_zero[d]], tiatoms[k_plus[d]]) >= rc2)
1522                         {
1523                             bUse = FALSE;
1524                         }
1525                     }
1526                 }
1527             }
1528             if (bUse)
1529             {
1530                 /* Add this interaction to the local topology */
1531                 add_ifunc(nral, tiatoms, &idef->il[ftype]);
1532                 /* Sum so we can check in global_stat
1533                  * if we have everything.
1534                  */
1535                 if (bBCheck ||
1536                     !(interaction_function[ftype].flags & IF_LIMZERO))
1537                 {
1538                     (*nbonded_local)++;
1539                 }
1540             }
1541             j += 1 + nral;
1542         }
1543     }
1544 }
1545
1546 /*! \brief This function looks up and assigns bonded interactions for zone iz.
1547  *
1548  * With thread parallelizing each thread acts on a different atom range:
1549  * at_start to at_end.
1550  */
1551 static int make_bondeds_zone(gmx_domdec_t *dd,
1552                              const gmx_domdec_zones_t *zones,
1553                              const gmx_molblock_t *molb,
1554                              gmx_bool bRCheckMB, ivec rcheck, gmx_bool bRCheck2B,
1555                              real rc2,
1556                              int *la2lc, t_pbc *pbc_null, rvec *cg_cm,
1557                              const t_iparams *ip_in,
1558                              t_idef *idef,
1559                              int **vsite_pbc,
1560                              int *vsite_pbc_nalloc,
1561                              int izone,
1562                              int at_start, int at_end)
1563 {
1564     int                i, i_gl, mb, mt, mol, i_mol;
1565     int               *index, *rtil;
1566     gmx_bool           bBCheck;
1567     gmx_reverse_top_t *rt;
1568     int                nbonded_local;
1569
1570     rt = dd->reverse_top;
1571
1572     bBCheck = rt->bBCheck;
1573
1574     nbonded_local = 0;
1575
1576     for (i = at_start; i < at_end; i++)
1577     {
1578         /* Get the global atom number */
1579         i_gl = dd->gatindex[i];
1580         global_atomnr_to_moltype_ind(rt, i_gl, &mb, &mt, &mol, &i_mol);
1581         /* Check all intramolecular interactions assigned to this atom */
1582         index = rt->ril_mt[mt].index;
1583         rtil  = rt->ril_mt[mt].il;
1584
1585         check_assign_interactions_atom(i, i_gl, mol, i_mol,
1586                                        index, rtil, FALSE,
1587                                        index[i_mol], index[i_mol+1],
1588                                        dd, zones,
1589                                        &molb[mb],
1590                                        bRCheckMB, rcheck, bRCheck2B, rc2,
1591                                        la2lc,
1592                                        pbc_null,
1593                                        cg_cm,
1594                                        ip_in,
1595                                        idef, vsite_pbc, vsite_pbc_nalloc,
1596                                        izone,
1597                                        bBCheck,
1598                                        &nbonded_local);
1599
1600
1601         if (rt->bIntermolecularInteractions)
1602         {
1603             /* Check all intermolecular interactions assigned to this atom */
1604             index = rt->ril_intermol.index;
1605             rtil  = rt->ril_intermol.il;
1606
1607             check_assign_interactions_atom(i, i_gl, mol, i_mol,
1608                                            index, rtil, TRUE,
1609                                            index[i_gl], index[i_gl + 1],
1610                                            dd, zones,
1611                                            &molb[mb],
1612                                            bRCheckMB, rcheck, bRCheck2B, rc2,
1613                                            la2lc,
1614                                            pbc_null,
1615                                            cg_cm,
1616                                            ip_in,
1617                                            idef, vsite_pbc, vsite_pbc_nalloc,
1618                                            izone,
1619                                            bBCheck,
1620                                            &nbonded_local);
1621         }
1622     }
1623
1624     return nbonded_local;
1625 }
1626
1627 /*! \brief Set the exclusion data for i-zone \p iz for the case of no exclusions */
1628 static void set_no_exclusions_zone(gmx_domdec_t *dd, gmx_domdec_zones_t *zones,
1629                                    int iz, t_blocka *lexcls)
1630 {
1631     int  a0, a1, a;
1632
1633     a0 = dd->cgindex[zones->cg_range[iz]];
1634     a1 = dd->cgindex[zones->cg_range[iz+1]];
1635
1636     for (a = a0+1; a < a1+1; a++)
1637     {
1638         lexcls->index[a] = lexcls->nra;
1639     }
1640 }
1641
1642 /*! \brief Set the exclusion data for i-zone \p iz
1643  *
1644  * This is a legacy version for the group scheme of the same routine below.
1645  * Here charge groups and distance checks to ensure unique exclusions
1646  * are supported.
1647  */
1648 static int make_exclusions_zone_cg(gmx_domdec_t *dd, gmx_domdec_zones_t *zones,
1649                                    const gmx_moltype_t *moltype,
1650                                    gmx_bool bRCheck, real rc2,
1651                                    int *la2lc, t_pbc *pbc_null, rvec *cg_cm,
1652                                    const int *cginfo,
1653                                    t_blocka *lexcls,
1654                                    int iz,
1655                                    int cg_start, int cg_end)
1656 {
1657     int               n_excl_at_max, n, count, jla0, jla1, jla;
1658     int               cg, la0, la1, la, a_gl, mb, mt, mol, a_mol, j, aj_mol;
1659     const t_blocka   *excls;
1660     gmx_ga2la_t      *ga2la;
1661     int               cell;
1662
1663     ga2la = dd->ga2la;
1664
1665     jla0 = dd->cgindex[zones->izone[iz].jcg0];
1666     jla1 = dd->cgindex[zones->izone[iz].jcg1];
1667
1668     n_excl_at_max = dd->reverse_top->n_excl_at_max;
1669
1670     /* We set the end index, but note that we might not start at zero here */
1671     lexcls->nr = dd->cgindex[cg_end];
1672
1673     n     = lexcls->nra;
1674     count = 0;
1675     for (cg = cg_start; cg < cg_end; cg++)
1676     {
1677         if (n + (cg_end - cg_start)*n_excl_at_max > lexcls->nalloc_a)
1678         {
1679             lexcls->nalloc_a = over_alloc_large(n + (cg_end - cg_start)*n_excl_at_max);
1680             srenew(lexcls->a, lexcls->nalloc_a);
1681         }
1682         la0 = dd->cgindex[cg];
1683         la1 = dd->cgindex[cg+1];
1684         if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cg]) ||
1685             !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cg]))
1686         {
1687             /* Copy the exclusions from the global top */
1688             for (la = la0; la < la1; la++)
1689             {
1690                 lexcls->index[la] = n;
1691                 a_gl              = dd->gatindex[la];
1692                 global_atomnr_to_moltype_ind(dd->reverse_top, a_gl, &mb, &mt, &mol, &a_mol);
1693                 excls = &moltype[mt].excls;
1694                 for (j = excls->index[a_mol]; j < excls->index[a_mol+1]; j++)
1695                 {
1696                     aj_mol = excls->a[j];
1697                     /* This computation of jla is only correct intra-cg */
1698                     jla = la + aj_mol - a_mol;
1699                     if (jla >= la0 && jla < la1)
1700                     {
1701                         /* This is an intra-cg exclusion. We can skip
1702                          *  the global indexing and distance checking.
1703                          */
1704                         /* Intra-cg exclusions are only required
1705                          * for the home zone.
1706                          */
1707                         if (iz == 0)
1708                         {
1709                             lexcls->a[n++] = jla;
1710                             /* Check to avoid double counts */
1711                             if (jla > la)
1712                             {
1713                                 count++;
1714                             }
1715                         }
1716                     }
1717                     else
1718                     {
1719                         /* This is a inter-cg exclusion */
1720                         /* Since exclusions are pair interactions,
1721                          * just like non-bonded interactions,
1722                          * they can be assigned properly up
1723                          * to the DD cutoff (not cutoff_min as
1724                          * for the other bonded interactions).
1725                          */
1726                         if (ga2la_get(ga2la, a_gl+aj_mol-a_mol, &jla, &cell))
1727                         {
1728                             if (iz == 0 && cell == 0)
1729                             {
1730                                 lexcls->a[n++] = jla;
1731                                 /* Check to avoid double counts */
1732                                 if (jla > la)
1733                                 {
1734                                     count++;
1735                                 }
1736                             }
1737                             else if (jla >= jla0 && jla < jla1 &&
1738                                      (!bRCheck ||
1739                                       dd_dist2(pbc_null, cg_cm, la2lc, la, jla) < rc2))
1740                             {
1741                                 /* jla > la, since jla0 > la */
1742                                 lexcls->a[n++] = jla;
1743                                 count++;
1744                             }
1745                         }
1746                     }
1747                 }
1748             }
1749         }
1750         else
1751         {
1752             /* There are no inter-cg excls and this cg is self-excluded.
1753              * These exclusions are only required for zone 0,
1754              * since other zones do not see themselves.
1755              */
1756             if (iz == 0)
1757             {
1758                 for (la = la0; la < la1; la++)
1759                 {
1760                     lexcls->index[la] = n;
1761                     for (j = la0; j < la1; j++)
1762                     {
1763                         lexcls->a[n++] = j;
1764                     }
1765                 }
1766                 count += ((la1 - la0)*(la1 - la0 - 1))/2;
1767             }
1768             else
1769             {
1770                 /* We don't need exclusions for this cg */
1771                 for (la = la0; la < la1; la++)
1772                 {
1773                     lexcls->index[la] = n;
1774                 }
1775             }
1776         }
1777     }
1778
1779     lexcls->index[lexcls->nr] = n;
1780     lexcls->nra               = n;
1781
1782     return count;
1783 }
1784
1785 /*! \brief Set the exclusion data for i-zone \p iz */
1786 static void make_exclusions_zone(gmx_domdec_t *dd,
1787                                  gmx_domdec_zones_t *zones,
1788                                  const gmx_moltype_t *moltype,
1789                                  const int *cginfo,
1790                                  t_blocka *lexcls,
1791                                  int iz,
1792                                  int at_start, int at_end)
1793 {
1794     gmx_ga2la_t *ga2la;
1795     int          jla0, jla1;
1796     int          n_excl_at_max, n, at;
1797
1798     ga2la = dd->ga2la;
1799
1800     jla0 = dd->cgindex[zones->izone[iz].jcg0];
1801     jla1 = dd->cgindex[zones->izone[iz].jcg1];
1802
1803     n_excl_at_max = dd->reverse_top->n_excl_at_max;
1804
1805     /* We set the end index, but note that we might not start at zero here */
1806     lexcls->nr = at_end;
1807
1808     n = lexcls->nra;
1809     for (at = at_start; at < at_end; at++)
1810     {
1811         if (n + 1000 > lexcls->nalloc_a)
1812         {
1813             lexcls->nalloc_a = over_alloc_large(n + 1000);
1814             srenew(lexcls->a, lexcls->nalloc_a);
1815         }
1816         if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[at]))
1817         {
1818             int             a_gl, mb, mt, mol, a_mol, j;
1819             const t_blocka *excls;
1820
1821             if (n + n_excl_at_max > lexcls->nalloc_a)
1822             {
1823                 lexcls->nalloc_a = over_alloc_large(n + n_excl_at_max);
1824                 srenew(lexcls->a, lexcls->nalloc_a);
1825             }
1826
1827             /* Copy the exclusions from the global top */
1828             lexcls->index[at] = n;
1829             a_gl              = dd->gatindex[at];
1830             global_atomnr_to_moltype_ind(dd->reverse_top, a_gl,
1831                                          &mb, &mt, &mol, &a_mol);
1832             excls = &moltype[mt].excls;
1833             for (j = excls->index[a_mol]; j < excls->index[a_mol + 1]; j++)
1834             {
1835                 int aj_mol, at_j, cell;
1836
1837                 aj_mol = excls->a[j];
1838
1839                 if (ga2la_get(ga2la, a_gl + aj_mol - a_mol, &at_j, &cell))
1840                 {
1841                     /* This check is not necessary, but it can reduce
1842                      * the number of exclusions in the list, which in turn
1843                      * can speed up the pair list construction a bit.
1844                      */
1845                     if (at_j >= jla0 && at_j < jla1)
1846                     {
1847                         lexcls->a[n++] = at_j;
1848                     }
1849                 }
1850             }
1851         }
1852         else
1853         {
1854             /* We don't need exclusions for this atom */
1855             lexcls->index[at] = n;
1856         }
1857     }
1858
1859     lexcls->index[lexcls->nr] = n;
1860     lexcls->nra               = n;
1861 }
1862
1863
1864 /*! \brief Ensure we have enough space in \p ba for \p nindex_max indices */
1865 static void check_alloc_index(t_blocka *ba, int nindex_max)
1866 {
1867     if (nindex_max+1 > ba->nalloc_index)
1868     {
1869         ba->nalloc_index = over_alloc_dd(nindex_max+1);
1870         srenew(ba->index, ba->nalloc_index);
1871     }
1872 }
1873
1874 /*! \brief Ensure that we have enough space for exclusion storate in \p lexcls */
1875 static void check_exclusions_alloc(gmx_domdec_t *dd, gmx_domdec_zones_t *zones,
1876                                    t_blocka *lexcls)
1877 {
1878     int nr;
1879     int thread;
1880
1881     nr = dd->cgindex[zones->izone[zones->nizone-1].cg1];
1882
1883     check_alloc_index(lexcls, nr);
1884
1885     for (thread = 1; thread < dd->reverse_top->nthread; thread++)
1886     {
1887         check_alloc_index(&dd->reverse_top->th_work[thread].excl, nr);
1888     }
1889 }
1890
1891 /*! \brief Set the total count indexes for the local exclusions, needed by several functions */
1892 static void finish_local_exclusions(gmx_domdec_t *dd, gmx_domdec_zones_t *zones,
1893                                     t_blocka *lexcls)
1894 {
1895     int la0, la;
1896
1897     lexcls->nr = dd->cgindex[zones->izone[zones->nizone-1].cg1];
1898
1899     if (dd->n_intercg_excl == 0)
1900     {
1901         /* There are no exclusions involving non-home charge groups,
1902          * but we need to set the indices for neighborsearching.
1903          */
1904         la0 = dd->cgindex[zones->izone[0].cg1];
1905         for (la = la0; la < lexcls->nr; la++)
1906         {
1907             lexcls->index[la] = lexcls->nra;
1908         }
1909
1910         /* nr is only used to loop over the exclusions for Ewald and RF,
1911          * so we can set it to the number of home atoms for efficiency.
1912          */
1913         lexcls->nr = dd->cgindex[zones->izone[0].cg1];
1914     }
1915 }
1916
1917 /*! \brief Clear a t_idef struct */
1918 static void clear_idef(t_idef *idef)
1919 {
1920     int  ftype;
1921
1922     /* Clear the counts */
1923     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1924     {
1925         idef->il[ftype].nr = 0;
1926     }
1927 }
1928
1929 /*! \brief Generate and store all required local bonded interactions in \p idef and local exclusions in \p lexcls */
1930 static int make_local_bondeds_excls(gmx_domdec_t *dd,
1931                                     gmx_domdec_zones_t *zones,
1932                                     const gmx_mtop_t *mtop,
1933                                     const int *cginfo,
1934                                     gmx_bool bRCheckMB, ivec rcheck, gmx_bool bRCheck2B,
1935                                     real rc,
1936                                     int *la2lc, t_pbc *pbc_null, rvec *cg_cm,
1937                                     t_idef *idef, gmx_vsite_t *vsite,
1938                                     t_blocka *lexcls, int *excl_count)
1939 {
1940     int                nzone_bondeds, nzone_excl;
1941     int                izone, cg0, cg1;
1942     real               rc2;
1943     int                nbonded_local;
1944     int                thread;
1945     gmx_reverse_top_t *rt;
1946
1947     if (dd->reverse_top->bInterCGInteractions)
1948     {
1949         nzone_bondeds = zones->n;
1950     }
1951     else
1952     {
1953         /* Only single charge group (or atom) molecules, so interactions don't
1954          * cross zone boundaries and we only need to assign in the home zone.
1955          */
1956         nzone_bondeds = 1;
1957     }
1958
1959     if (dd->n_intercg_excl > 0)
1960     {
1961         /* We only use exclusions from i-zones to i- and j-zones */
1962         nzone_excl = zones->nizone;
1963     }
1964     else
1965     {
1966         /* There are no inter-cg exclusions and only zone 0 sees itself */
1967         nzone_excl = 1;
1968     }
1969
1970     check_exclusions_alloc(dd, zones, lexcls);
1971
1972     rt = dd->reverse_top;
1973
1974     rc2 = rc*rc;
1975
1976     /* Clear the counts */
1977     clear_idef(idef);
1978     nbonded_local = 0;
1979
1980     lexcls->nr    = 0;
1981     lexcls->nra   = 0;
1982     *excl_count   = 0;
1983
1984     for (izone = 0; izone < nzone_bondeds; izone++)
1985     {
1986         cg0 = zones->cg_range[izone];
1987         cg1 = zones->cg_range[izone + 1];
1988
1989 #pragma omp parallel for num_threads(rt->nthread) schedule(static)
1990         for (thread = 0; thread < rt->nthread; thread++)
1991         {
1992             try
1993             {
1994                 int       cg0t, cg1t;
1995                 t_idef   *idef_t;
1996                 int     **vsite_pbc;
1997                 int      *vsite_pbc_nalloc;
1998                 t_blocka *excl_t;
1999
2000                 cg0t = cg0 + ((cg1 - cg0)* thread   )/rt->nthread;
2001                 cg1t = cg0 + ((cg1 - cg0)*(thread+1))/rt->nthread;
2002
2003                 if (thread == 0)
2004                 {
2005                     idef_t = idef;
2006                 }
2007                 else
2008                 {
2009                     idef_t = &rt->th_work[thread].idef;
2010                     clear_idef(idef_t);
2011                 }
2012
2013                 if (vsite && vsite->bHaveChargeGroups && vsite->n_intercg_vsite > 0)
2014                 {
2015                     if (thread == 0)
2016                     {
2017                         vsite_pbc        = vsite->vsite_pbc_loc;
2018                         vsite_pbc_nalloc = vsite->vsite_pbc_loc_nalloc;
2019                     }
2020                     else
2021                     {
2022                         vsite_pbc        = rt->th_work[thread].vsite_pbc;
2023                         vsite_pbc_nalloc = rt->th_work[thread].vsite_pbc_nalloc;
2024                     }
2025                 }
2026                 else
2027                 {
2028                     vsite_pbc        = nullptr;
2029                     vsite_pbc_nalloc = nullptr;
2030                 }
2031
2032                 rt->th_work[thread].nbonded =
2033                     make_bondeds_zone(dd, zones,
2034                                       mtop->molblock,
2035                                       bRCheckMB, rcheck, bRCheck2B, rc2,
2036                                       la2lc, pbc_null, cg_cm, idef->iparams,
2037                                       idef_t,
2038                                       vsite_pbc, vsite_pbc_nalloc,
2039                                       izone,
2040                                       dd->cgindex[cg0t], dd->cgindex[cg1t]);
2041
2042                 if (izone < nzone_excl)
2043                 {
2044                     if (thread == 0)
2045                     {
2046                         excl_t = lexcls;
2047                     }
2048                     else
2049                     {
2050                         excl_t      = &rt->th_work[thread].excl;
2051                         excl_t->nr  = 0;
2052                         excl_t->nra = 0;
2053                     }
2054
2055                     if (dd->cgindex[dd->ncg_tot] == dd->ncg_tot &&
2056                         !rt->bExclRequired)
2057                     {
2058                         /* No charge groups and no distance check required */
2059                         make_exclusions_zone(dd, zones,
2060                                              mtop->moltype, cginfo,
2061                                              excl_t,
2062                                              izone,
2063                                              cg0t, cg1t);
2064                     }
2065                     else
2066                     {
2067                         rt->th_work[thread].excl_count =
2068                             make_exclusions_zone_cg(dd, zones,
2069                                                     mtop->moltype, bRCheck2B, rc2,
2070                                                     la2lc, pbc_null, cg_cm, cginfo,
2071                                                     excl_t,
2072                                                     izone,
2073                                                     cg0t, cg1t);
2074                     }
2075                 }
2076             }
2077             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2078         }
2079
2080         if (rt->nthread > 1)
2081         {
2082             combine_idef(idef, rt->th_work, rt->nthread, vsite);
2083         }
2084
2085         for (thread = 0; thread < rt->nthread; thread++)
2086         {
2087             nbonded_local += rt->th_work[thread].nbonded;
2088         }
2089
2090         if (izone < nzone_excl)
2091         {
2092             if (rt->nthread > 1)
2093             {
2094                 combine_blocka(lexcls, rt->th_work, rt->nthread);
2095             }
2096
2097             for (thread = 0; thread < rt->nthread; thread++)
2098             {
2099                 *excl_count += rt->th_work[thread].excl_count;
2100             }
2101         }
2102     }
2103
2104     /* Some zones might not have exclusions, but some code still needs to
2105      * loop over the index, so we set the indices here.
2106      */
2107     for (izone = nzone_excl; izone < zones->nizone; izone++)
2108     {
2109         set_no_exclusions_zone(dd, zones, izone, lexcls);
2110     }
2111
2112     finish_local_exclusions(dd, zones, lexcls);
2113     if (debug)
2114     {
2115         fprintf(debug, "We have %d exclusions, check count %d\n",
2116                 lexcls->nra, *excl_count);
2117     }
2118
2119     return nbonded_local;
2120 }
2121
2122 void dd_make_local_cgs(gmx_domdec_t *dd, t_block *lcgs)
2123 {
2124     lcgs->nr    = dd->ncg_tot;
2125     lcgs->index = dd->cgindex;
2126 }
2127
2128 void dd_make_local_top(gmx_domdec_t *dd, gmx_domdec_zones_t *zones,
2129                        int npbcdim, matrix box,
2130                        rvec cellsize_min, ivec npulse,
2131                        t_forcerec *fr,
2132                        rvec *cgcm_or_x,
2133                        gmx_vsite_t *vsite,
2134                        const gmx_mtop_t *mtop, gmx_localtop_t *ltop)
2135 {
2136     gmx_bool bRCheckMB, bRCheck2B;
2137     real     rc = -1;
2138     ivec     rcheck;
2139     int      d, nexcl;
2140     t_pbc    pbc, *pbc_null = nullptr;
2141
2142     if (debug)
2143     {
2144         fprintf(debug, "Making local topology\n");
2145     }
2146
2147     dd_make_local_cgs(dd, &ltop->cgs);
2148
2149     bRCheckMB   = FALSE;
2150     bRCheck2B   = FALSE;
2151
2152     if (dd->reverse_top->bInterCGInteractions)
2153     {
2154         /* We need to check to which cell bondeds should be assigned */
2155         rc = dd_cutoff_twobody(dd);
2156         if (debug)
2157         {
2158             fprintf(debug, "Two-body bonded cut-off distance is %g\n", rc);
2159         }
2160
2161         /* Should we check cg_cm distances when assigning bonded interactions? */
2162         for (d = 0; d < DIM; d++)
2163         {
2164             rcheck[d] = FALSE;
2165             /* Only need to check for dimensions where the part of the box
2166              * that is not communicated is smaller than the cut-off.
2167              */
2168             if (d < npbcdim && dd->nc[d] > 1 &&
2169                 (dd->nc[d] - npulse[d])*cellsize_min[d] < 2*rc)
2170             {
2171                 if (dd->nc[d] == 2)
2172                 {
2173                     rcheck[d] = TRUE;
2174                     bRCheckMB = TRUE;
2175                 }
2176                 /* Check for interactions between two atoms,
2177                  * where we can allow interactions up to the cut-off,
2178                  * instead of up to the smallest cell dimension.
2179                  */
2180                 bRCheck2B = TRUE;
2181             }
2182             if (debug)
2183             {
2184                 fprintf(debug,
2185                         "dim %d cellmin %f bonded rcheck[%d] = %d, bRCheck2B = %d\n",
2186                         d, cellsize_min[d], d, rcheck[d], bRCheck2B);
2187             }
2188         }
2189         if (bRCheckMB || bRCheck2B)
2190         {
2191             make_la2lc(dd);
2192             if (fr->bMolPBC)
2193             {
2194                 pbc_null = set_pbc_dd(&pbc, fr->ePBC, dd->nc, TRUE, box);
2195             }
2196             else
2197             {
2198                 pbc_null = nullptr;
2199             }
2200         }
2201     }
2202
2203     dd->nbonded_local =
2204         make_local_bondeds_excls(dd, zones, mtop, fr->cginfo,
2205                                  bRCheckMB, rcheck, bRCheck2B, rc,
2206                                  dd->la2lc,
2207                                  pbc_null, cgcm_or_x,
2208                                  &ltop->idef, vsite,
2209                                  &ltop->excls, &nexcl);
2210
2211     /* The ilist is not sorted yet,
2212      * we can only do this when we have the charge arrays.
2213      */
2214     ltop->idef.ilsort = ilsortUNKNOWN;
2215
2216     if (dd->reverse_top->bExclRequired)
2217     {
2218         dd->nbonded_local += nexcl;
2219     }
2220
2221     ltop->atomtypes  = mtop->atomtypes;
2222 }
2223
2224 void dd_sort_local_top(gmx_domdec_t *dd, const t_mdatoms *mdatoms,
2225                        gmx_localtop_t *ltop)
2226 {
2227     if (dd->reverse_top->ilsort == ilsortNO_FE)
2228     {
2229         ltop->idef.ilsort = ilsortNO_FE;
2230     }
2231     else
2232     {
2233         gmx_sort_ilist_fe(&ltop->idef, mdatoms->chargeA, mdatoms->chargeB);
2234     }
2235 }
2236
2237 gmx_localtop_t *dd_init_local_top(const gmx_mtop_t *top_global)
2238 {
2239     gmx_localtop_t *top;
2240     int             i;
2241
2242     snew(top, 1);
2243
2244     top->idef.ntypes    = top_global->ffparams.ntypes;
2245     top->idef.atnr      = top_global->ffparams.atnr;
2246     top->idef.functype  = top_global->ffparams.functype;
2247     top->idef.iparams   = top_global->ffparams.iparams;
2248     top->idef.fudgeQQ   = top_global->ffparams.fudgeQQ;
2249     top->idef.cmap_grid = top_global->ffparams.cmap_grid;
2250
2251     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
2252     {
2253         top->idef.il[i].iatoms = nullptr;
2254         top->idef.il[i].nalloc = 0;
2255     }
2256     top->idef.ilsort   = ilsortUNKNOWN;
2257
2258     return top;
2259 }
2260
2261 void dd_init_local_state(gmx_domdec_t *dd,
2262                          t_state *state_global, t_state *state_local)
2263 {
2264     int buf[NITEM_DD_INIT_LOCAL_STATE];
2265
2266     if (DDMASTER(dd))
2267     {
2268         buf[0] = state_global->flags;
2269         buf[1] = state_global->ngtc;
2270         buf[2] = state_global->nnhpres;
2271         buf[3] = state_global->nhchainlength;
2272         buf[4] = state_global->dfhist ? state_global->dfhist->nlambda : 0;
2273     }
2274     dd_bcast(dd, NITEM_DD_INIT_LOCAL_STATE*sizeof(int), buf);
2275
2276     init_state(state_local, 0, buf[1], buf[2], buf[3], buf[4]);
2277     state_local->flags = buf[0];
2278 }
2279
2280 /*! \brief Check if a link is stored in \p link between charge groups \p cg_gl and \p cg_gl_j and if not so, store a link */
2281 static void check_link(t_blocka *link, int cg_gl, int cg_gl_j)
2282 {
2283     int      k;
2284     gmx_bool bFound;
2285
2286     bFound = FALSE;
2287     for (k = link->index[cg_gl]; k < link->index[cg_gl+1]; k++)
2288     {
2289         GMX_RELEASE_ASSERT(link->a, "Inconsistent NULL pointer while making charge-group links");
2290         if (link->a[k] == cg_gl_j)
2291         {
2292             bFound = TRUE;
2293         }
2294     }
2295     if (!bFound)
2296     {
2297         GMX_RELEASE_ASSERT(link->a || link->index[cg_gl+1]+1 > link->nalloc_a,
2298                            "Inconsistent allocation of link");
2299         /* Add this charge group link */
2300         if (link->index[cg_gl+1]+1 > link->nalloc_a)
2301         {
2302             link->nalloc_a = over_alloc_large(link->index[cg_gl+1]+1);
2303             srenew(link->a, link->nalloc_a);
2304         }
2305         link->a[link->index[cg_gl+1]] = cg_gl_j;
2306         link->index[cg_gl+1]++;
2307     }
2308 }
2309
2310 /*! \brief Allocate and return an array of the charge group index for all atoms */
2311 static int *make_at2cg(t_block *cgs)
2312 {
2313     int *at2cg, cg, a;
2314
2315     snew(at2cg, cgs->index[cgs->nr]);
2316     for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
2317     {
2318         for (a = cgs->index[cg]; a < cgs->index[cg+1]; a++)
2319         {
2320             at2cg[a] = cg;
2321         }
2322     }
2323
2324     return at2cg;
2325 }
2326
2327 t_blocka *make_charge_group_links(const gmx_mtop_t *mtop, gmx_domdec_t *dd,
2328                                   cginfo_mb_t *cginfo_mb)
2329 {
2330     gmx_bool            bExclRequired;
2331     int                 mb, cg_offset, cg, cg_gl, a, aj, i, j, ftype, nral, nlink_mol, mol, ncgi;
2332     gmx_molblock_t     *molb;
2333     gmx_moltype_t      *molt;
2334     t_block            *cgs;
2335     t_blocka           *excls;
2336     int                *a2c;
2337     reverse_ilist_t     ril, ril_intermol;
2338     t_blocka           *link;
2339     cginfo_mb_t        *cgi_mb;
2340
2341     /* For each charge group make a list of other charge groups
2342      * in the system that a linked to it via bonded interactions
2343      * which are also stored in reverse_top.
2344      */
2345
2346     bExclRequired = dd->reverse_top->bExclRequired;
2347
2348     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2349     {
2350         if (ncg_mtop(mtop) < mtop->natoms)
2351         {
2352             gmx_fatal(FARGS, "The combination of intermolecular interactions, charge groups and domain decomposition is not supported. Use cutoff-scheme=Verlet (which removes the charge groups) or run without domain decomposition.");
2353         }
2354
2355         t_atoms atoms;
2356
2357         atoms.nr   = mtop->natoms;
2358         atoms.atom = nullptr;
2359
2360         make_reverse_ilist(mtop->intermolecular_ilist, &atoms,
2361                            nullptr, FALSE, FALSE, FALSE, TRUE, &ril_intermol);
2362     }
2363
2364     snew(link, 1);
2365     snew(link->index, ncg_mtop(mtop)+1);
2366     link->nalloc_a = 0;
2367     link->a        = nullptr;
2368
2369     link->index[0] = 0;
2370     cg_offset      = 0;
2371     ncgi           = 0;
2372     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
2373     {
2374         molb = &mtop->molblock[mb];
2375         if (molb->nmol == 0)
2376         {
2377             continue;
2378         }
2379         molt  = &mtop->moltype[molb->type];
2380         cgs   = &molt->cgs;
2381         excls = &molt->excls;
2382         a2c   = make_at2cg(cgs);
2383         /* Make a reverse ilist in which the interactions are linked
2384          * to all atoms, not only the first atom as in gmx_reverse_top.
2385          * The constraints are discarded here.
2386          */
2387         make_reverse_ilist(molt->ilist, &molt->atoms,
2388                            nullptr, FALSE, FALSE, FALSE, TRUE, &ril);
2389
2390         cgi_mb = &cginfo_mb[mb];
2391
2392         for (mol = 0; mol < (mtop->bIntermolecularInteractions ? molb->nmol : 1); mol++)
2393         {
2394             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
2395             {
2396                 cg_gl                = cg_offset + cg;
2397                 link->index[cg_gl+1] = link->index[cg_gl];
2398                 for (a = cgs->index[cg]; a < cgs->index[cg+1]; a++)
2399                 {
2400                     i = ril.index[a];
2401                     while (i < ril.index[a+1])
2402                     {
2403                         ftype = ril.il[i++];
2404                         nral  = NRAL(ftype);
2405                         /* Skip the ifunc index */
2406                         i++;
2407                         for (j = 0; j < nral; j++)
2408                         {
2409                             aj = ril.il[i+j];
2410                             if (a2c[aj] != cg)
2411                             {
2412                                 check_link(link, cg_gl, cg_offset+a2c[aj]);
2413                             }
2414                         }
2415                         i += nral_rt(ftype);
2416                     }
2417                     if (bExclRequired)
2418                     {
2419                         /* Exclusions always go both ways */
2420                         for (j = excls->index[a]; j < excls->index[a+1]; j++)
2421                         {
2422                             aj = excls->a[j];
2423                             if (a2c[aj] != cg)
2424                             {
2425                                 check_link(link, cg_gl, cg_offset+a2c[aj]);
2426                             }
2427                         }
2428                     }
2429
2430                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2431                     {
2432                         i = ril_intermol.index[a];
2433                         while (i < ril_intermol.index[a+1])
2434                         {
2435                             ftype = ril_intermol.il[i++];
2436                             nral  = NRAL(ftype);
2437                             /* Skip the ifunc index */
2438                             i++;
2439                             for (j = 0; j < nral; j++)
2440                             {
2441                                 /* Here we assume we have no charge groups;
2442                                  * this has been checked above.
2443                                  */
2444                                 aj = ril_intermol.il[i+j];
2445                                 check_link(link, cg_gl, aj);
2446                             }
2447                             i += nral_rt(ftype);
2448                         }
2449                     }
2450                 }
2451                 if (link->index[cg_gl+1] - link->index[cg_gl] > 0)
2452                 {
2453                     SET_CGINFO_BOND_INTER(cgi_mb->cginfo[cg]);
2454                     ncgi++;
2455                 }
2456             }
2457
2458             cg_offset += cgs->nr;
2459         }
2460         nlink_mol = link->index[cg_offset] - link->index[cg_offset-cgs->nr];
2461
2462         destroy_reverse_ilist(&ril);
2463         sfree(a2c);
2464
2465         if (debug)
2466         {
2467             fprintf(debug, "molecule type '%s' %d cgs has %d cg links through bonded interac.\n", *molt->name, cgs->nr, nlink_mol);
2468         }
2469
2470         if (molb->nmol > mol)
2471         {
2472             /* Copy the data for the rest of the molecules in this block */
2473             link->nalloc_a += (molb->nmol - mol)*nlink_mol;
2474             srenew(link->a, link->nalloc_a);
2475             for (; mol < molb->nmol; mol++)
2476             {
2477                 for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
2478                 {
2479                     cg_gl                = cg_offset + cg;
2480                     link->index[cg_gl+1] =
2481                         link->index[cg_gl+1-cgs->nr] + nlink_mol;
2482                     for (j = link->index[cg_gl]; j < link->index[cg_gl+1]; j++)
2483                     {
2484                         link->a[j] = link->a[j-nlink_mol] + cgs->nr;
2485                     }
2486                     if (link->index[cg_gl+1] - link->index[cg_gl] > 0 &&
2487                         cg_gl - cgi_mb->cg_start < cgi_mb->cg_mod)
2488                     {
2489                         SET_CGINFO_BOND_INTER(cgi_mb->cginfo[cg_gl - cgi_mb->cg_start]);
2490                         ncgi++;
2491                     }
2492                 }
2493                 cg_offset += cgs->nr;
2494             }
2495         }
2496     }
2497
2498     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2499     {
2500         destroy_reverse_ilist(&ril_intermol);
2501     }
2502
2503     if (debug)
2504     {
2505         fprintf(debug, "Of the %d charge groups %d are linked via bonded interactions\n", ncg_mtop(mtop), ncgi);
2506     }
2507
2508     return link;
2509 }
2510
2511 typedef struct {
2512     real r2;
2513     int  ftype;
2514     int  a1;
2515     int  a2;
2516 } bonded_distance_t;
2517
2518 /*! \brief Compare distance^2 \p r2 against the distance in \p bd and if larger store it along with \p ftype and atom indices \p a1 and \p a2 */
2519 static void update_max_bonded_distance(real r2, int ftype, int a1, int a2,
2520                                        bonded_distance_t *bd)
2521 {
2522     if (r2 > bd->r2)
2523     {
2524         bd->r2    = r2;
2525         bd->ftype = ftype;
2526         bd->a1    = a1;
2527         bd->a2    = a2;
2528     }
2529 }
2530
2531 /*! \brief Set the distance, function type and atom indices for the longest distance between charge-groups of molecule type \p molt for two-body and multi-body bonded interactions */
2532 static void bonded_cg_distance_mol(gmx_moltype_t *molt, int *at2cg,
2533                                    gmx_bool bBCheck, gmx_bool bExcl, rvec *cg_cm,
2534                                    bonded_distance_t *bd_2b,
2535                                    bonded_distance_t *bd_mb)
2536 {
2537     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
2538     {
2539         if (dd_check_ftype(ftype, bBCheck, FALSE, FALSE))
2540         {
2541             const t_ilist *il   = &molt->ilist[ftype];
2542             int            nral = NRAL(ftype);
2543             if (nral > 1)
2544             {
2545                 for (int i = 0; i < il->nr; i += 1+nral)
2546                 {
2547                     for (int ai = 0; ai < nral; ai++)
2548                     {
2549                         int cgi = at2cg[il->iatoms[i+1+ai]];
2550                         for (int aj = ai + 1; aj < nral; aj++)
2551                         {
2552                             int cgj = at2cg[il->iatoms[i+1+aj]];
2553                             if (cgi != cgj)
2554                             {
2555                                 real rij2 = distance2(cg_cm[cgi], cg_cm[cgj]);
2556
2557                                 update_max_bonded_distance(rij2, ftype,
2558                                                            il->iatoms[i+1+ai],
2559                                                            il->iatoms[i+1+aj],
2560                                                            (nral == 2) ? bd_2b : bd_mb);
2561                             }
2562                         }
2563                     }
2564                 }
2565             }
2566         }
2567     }
2568     if (bExcl)
2569     {
2570         const t_blocka *excls = &molt->excls;
2571         for (int ai = 0; ai < excls->nr; ai++)
2572         {
2573             int cgi = at2cg[ai];
2574             for (int j = excls->index[ai]; j < excls->index[ai+1]; j++)
2575             {
2576                 int cgj = at2cg[excls->a[j]];
2577                 if (cgi != cgj)
2578                 {
2579                     real rij2 = distance2(cg_cm[cgi], cg_cm[cgj]);
2580
2581                     /* There is no function type for exclusions, use -1 */
2582                     update_max_bonded_distance(rij2, -1, ai, excls->a[j], bd_2b);
2583                 }
2584             }
2585         }
2586     }
2587 }
2588
2589 /*! \brief Set the distance, function type and atom indices for the longest atom distance involved in intermolecular interactions for two-body and multi-body bonded interactions */
2590 static void bonded_distance_intermol(const t_ilist *ilists_intermol,
2591                                      gmx_bool bBCheck,
2592                                      const rvec *x, int ePBC, matrix box,
2593                                      bonded_distance_t *bd_2b,
2594                                      bonded_distance_t *bd_mb)
2595 {
2596     t_pbc pbc;
2597
2598     set_pbc(&pbc, ePBC, box);
2599
2600     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
2601     {
2602         if (dd_check_ftype(ftype, bBCheck, FALSE, FALSE))
2603         {
2604             const t_ilist *il   = &ilists_intermol[ftype];
2605             int            nral = NRAL(ftype);
2606
2607             /* No nral>1 check here, since intermol interactions always
2608              * have nral>=2 (and the code is also correct for nral=1).
2609              */
2610             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1+nral)
2611             {
2612                 for (int ai = 0; ai < nral; ai++)
2613                 {
2614                     int atom_i = il->iatoms[i + 1 + ai];
2615
2616                     for (int aj = ai + 1; aj < nral; aj++)
2617                     {
2618                         rvec dx;
2619                         real rij2;
2620
2621                         int  atom_j = il->iatoms[i + 1 + aj];
2622
2623                         pbc_dx(&pbc, x[atom_i], x[atom_j], dx);
2624
2625                         rij2 = norm2(dx);
2626
2627                         update_max_bonded_distance(rij2, ftype,
2628                                                    atom_i, atom_j,
2629                                                    (nral == 2) ? bd_2b : bd_mb);
2630                     }
2631                 }
2632             }
2633         }
2634     }
2635 }
2636
2637 //! Compute charge group centers of mass for molecule \p molt
2638 static void get_cgcm_mol(const gmx_moltype_t *molt,
2639                          const gmx_ffparams_t *ffparams,
2640                          int ePBC, t_graph *graph, matrix box,
2641                          const gmx_vsite_t *vsite,
2642                          const rvec *x, rvec *xs, rvec *cg_cm)
2643 {
2644     int n, i;
2645
2646     if (ePBC != epbcNONE)
2647     {
2648         mk_mshift(nullptr, graph, ePBC, box, x);
2649
2650         shift_x(graph, box, x, xs);
2651         /* By doing an extra mk_mshift the molecules that are broken
2652          * because they were e.g. imported from another software
2653          * will be made whole again. Such are the healing powers
2654          * of GROMACS.
2655          */
2656         mk_mshift(nullptr, graph, ePBC, box, xs);
2657     }
2658     else
2659     {
2660         /* We copy the coordinates so the original coordinates remain
2661          * unchanged, just to be 100% sure that we do not affect
2662          * binary reproducibility of simulations.
2663          */
2664         n = molt->cgs.index[molt->cgs.nr];
2665         for (i = 0; i < n; i++)
2666         {
2667             copy_rvec(x[i], xs[i]);
2668         }
2669     }
2670
2671     if (vsite)
2672     {
2673         construct_vsites(vsite, xs, 0.0, nullptr,
2674                          ffparams->iparams, molt->ilist,
2675                          epbcNONE, TRUE, nullptr, nullptr);
2676     }
2677
2678     calc_cgcm(nullptr, 0, molt->cgs.nr, &molt->cgs, xs, cg_cm);
2679 }
2680
2681 //! Returns whether \p molt has a virtual site
2682 static int have_vsite_molt(gmx_moltype_t *molt)
2683 {
2684     int      i;
2685     gmx_bool bVSite;
2686
2687     bVSite = FALSE;
2688     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
2689     {
2690         if ((interaction_function[i].flags & IF_VSITE) &&
2691             molt->ilist[i].nr > 0)
2692         {
2693             bVSite = TRUE;
2694         }
2695     }
2696
2697     return bVSite;
2698 }
2699
2700 void dd_bonded_cg_distance(FILE *fplog,
2701                            const gmx_mtop_t *mtop,
2702                            const t_inputrec *ir,
2703                            const rvec *x, matrix box,
2704                            gmx_bool bBCheck,
2705                            real *r_2b, real *r_mb)
2706 {
2707     gmx_bool           bExclRequired;
2708     int                mb, at_offset, *at2cg, mol;
2709     t_graph            graph;
2710     gmx_vsite_t       *vsite;
2711     gmx_molblock_t    *molb;
2712     gmx_moltype_t     *molt;
2713     rvec              *xs, *cg_cm;
2714     bonded_distance_t  bd_2b = { 0, -1, -1, -1 };
2715     bonded_distance_t  bd_mb = { 0, -1, -1, -1 };
2716
2717     bExclRequired = inputrecExclForces(ir);
2718
2719     vsite = init_vsite(mtop, nullptr, TRUE);
2720
2721     *r_2b     = 0;
2722     *r_mb     = 0;
2723     at_offset = 0;
2724     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
2725     {
2726         molb = &mtop->molblock[mb];
2727         molt = &mtop->moltype[molb->type];
2728         if (molt->cgs.nr == 1 || molb->nmol == 0)
2729         {
2730             at_offset += molb->nmol*molt->atoms.nr;
2731         }
2732         else
2733         {
2734             if (ir->ePBC != epbcNONE)
2735             {
2736                 mk_graph_ilist(nullptr, molt->ilist, 0, molt->atoms.nr, FALSE, FALSE,
2737                                &graph);
2738             }
2739
2740             at2cg = make_at2cg(&molt->cgs);
2741             snew(xs, molt->atoms.nr);
2742             snew(cg_cm, molt->cgs.nr);
2743             for (mol = 0; mol < molb->nmol; mol++)
2744             {
2745                 get_cgcm_mol(molt, &mtop->ffparams, ir->ePBC, &graph, box,
2746                              have_vsite_molt(molt) ? vsite : nullptr,
2747                              x+at_offset, xs, cg_cm);
2748
2749                 bonded_distance_t bd_mol_2b = { 0, -1, -1, -1 };
2750                 bonded_distance_t bd_mol_mb = { 0, -1, -1, -1 };
2751
2752                 bonded_cg_distance_mol(molt, at2cg, bBCheck, bExclRequired, cg_cm,
2753                                        &bd_mol_2b, &bd_mol_mb);
2754
2755                 /* Process the mol data adding the atom index offset */
2756                 update_max_bonded_distance(bd_mol_2b.r2, bd_mol_2b.ftype,
2757                                            at_offset + bd_mol_2b.a1,
2758                                            at_offset + bd_mol_2b.a2,
2759                                            &bd_2b);
2760                 update_max_bonded_distance(bd_mol_mb.r2, bd_mol_mb.ftype,
2761                                            at_offset + bd_mol_mb.a1,
2762                                            at_offset + bd_mol_mb.a2,
2763                                            &bd_mb);
2764
2765                 at_offset += molt->atoms.nr;
2766             }
2767             sfree(cg_cm);
2768             sfree(xs);
2769             sfree(at2cg);
2770             if (ir->ePBC != epbcNONE)
2771             {
2772                 done_graph(&graph);
2773             }
2774         }
2775     }
2776
2777     /* We should have a vsite free routine, but here we can simply free */
2778     sfree(vsite);
2779
2780     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2781     {
2782         if (ncg_mtop(mtop) < mtop->natoms)
2783         {
2784             gmx_fatal(FARGS, "The combination of intermolecular interactions, charge groups and domain decomposition is not supported. Use cutoff-scheme=Verlet (which removes the charge groups) or run without domain decomposition.");
2785         }
2786
2787         bonded_distance_intermol(mtop->intermolecular_ilist,
2788                                  bBCheck,
2789                                  x, ir->ePBC, box,
2790                                  &bd_2b, &bd_mb);
2791     }
2792
2793     *r_2b = sqrt(bd_2b.r2);
2794     *r_mb = sqrt(bd_mb.r2);
2795
2796     if (fplog && (*r_2b > 0 || *r_mb > 0))
2797     {
2798         fprintf(fplog,
2799                 "Initial maximum inter charge-group distances:\n");
2800         if (*r_2b > 0)
2801         {
2802             fprintf(fplog,
2803                     "    two-body bonded interactions: %5.3f nm, %s, atoms %d %d\n",
2804                     *r_2b, (bd_2b.ftype >= 0) ? interaction_function[bd_2b.ftype].longname : "Exclusion",
2805                     bd_2b.a1 + 1, bd_2b.a2 + 1);
2806         }
2807         if (*r_mb > 0)
2808         {
2809             fprintf(fplog,
2810                     "  multi-body bonded interactions: %5.3f nm, %s, atoms %d %d\n",
2811                     *r_mb, interaction_function[bd_mb.ftype].longname,
2812                     bd_mb.a1 + 1, bd_mb.a2 + 1);
2813         }
2814     }
2815 }