src/gromacs/gmxpreprocess/grompp.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017,2018, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "grompp.h"
  40
  41 #include <errno.h>
  42 #include <limits.h>
  43 #include <string.h>
  44
  45 #include <cmath>
  46
  47 #include <algorithm>
  48
  49 #include <sys/types.h>
  50
  51 #include "gromacs/awh/read-params.h"
  52 #include "gromacs/commandline/pargs.h"
  53 #include "gromacs/ewald/ewald-utils.h"
  54 #include "gromacs/ewald/pme.h"
  55 #include "gromacs/fft/calcgrid.h"
  56 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  57 #include "gromacs/fileio/enxio.h"
  58 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
  59 #include "gromacs/fileio/trxio.h"
  60 #include "gromacs/fileio/warninp.h"
  61 #include "gromacs/gmxpreprocess/add_par.h"
  62 #include "gromacs/gmxpreprocess/convparm.h"
  63 #include "gromacs/gmxpreprocess/gen_maxwell_velocities.h"
  64 #include "gromacs/gmxpreprocess/gpp_atomtype.h"
  65 #include "gromacs/gmxpreprocess/grompp-impl.h"
  66 #include "gromacs/gmxpreprocess/notset.h"
  67 #include "gromacs/gmxpreprocess/readir.h"
  68 #include "gromacs/gmxpreprocess/tomorse.h"
  69 #include "gromacs/gmxpreprocess/topio.h"
  70 #include "gromacs/gmxpreprocess/toputil.h"
  71 #include "gromacs/gmxpreprocess/vsite_parm.h"
  72 #include "gromacs/imd/imd.h"
  73 #include "gromacs/math/functions.h"
  74 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  75 #include "gromacs/math/units.h"
  76 #include "gromacs/math/vec.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/calc_verletbuf.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/compute_io.h"
  79 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  80 #include "gromacs/mdlib/perf_est.h"
  81 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  82 #include "gromacs/mdrunutility/mdmodules.h"
  83 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  84 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  85 #include "gromacs/mdtypes/nblist.h"
  86 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  87 #include "gromacs/pbcutil/boxutilities.h"
  88 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  89 #include "gromacs/pulling/pull.h"
  90 #include "gromacs/random/seed.h"
  91 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  92 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  93 #include "gromacs/topology/symtab.h"
  94 #include "gromacs/topology/topology.h"
  95 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
  96 #include "gromacs/utility/arraysize.h"
  97 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  98 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  99 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
 100 #include "gromacs/utility/futil.h"
 101 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
 102 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
 103 #include "gromacs/utility/snprintf.h"
 104
 105 static int rm_interactions(int ifunc, int nrmols, t_molinfo mols[])
 106 {
 107     int  i, n;
 108
 109     n = 0;
 110     /* For all the molecule types */
 111     for (i = 0; i < nrmols; i++)
 112     {
 113         n += mols[i].plist[ifunc].nr;
 114         mols[i].plist[ifunc].nr = 0;
 115     }
 116     return n;
 117 }
 118
 119 static int check_atom_names(const char *fn1, const char *fn2,
 120                             gmx_mtop_t *mtop, const t_atoms *at)
 121 {
 122     int      mb, m, i, j, nmismatch;
 123     t_atoms *tat;
 124 #define MAXMISMATCH 20
 125
 126     if (mtop->natoms != at->nr)
 127     {
 128         gmx_incons("comparing atom names");
 129     }
 130
 131     nmismatch = 0;
 132     i         = 0;
 133     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 134     {
 135         tat = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 136         for (m = 0; m < mtop->molblock[mb].nmol; m++)
 137         {
 138             for (j = 0; j < tat->nr; j++)
 139             {
 140                 if (strcmp( *(tat->atomname[j]), *(at->atomname[i]) ) != 0)
 141                 {
 142                     if (nmismatch < MAXMISMATCH)
 143                     {
 144                         fprintf(stderr,
 145                                 "Warning: atom name %d in %s and %s does not match (%s - %s)\n",
 146                                 i+1, fn1, fn2, *(tat->atomname[j]), *(at->atomname[i]));
 147                     }
 148                     else if (nmismatch == MAXMISMATCH)
 149                     {
 150                         fprintf(stderr, "(more than %d non-matching atom names)\n", MAXMISMATCH);
 151                     }
 152                     nmismatch++;
 153                 }
 154                 i++;
 155             }
 156         }
 157     }
 158
 159     return nmismatch;
 160 }
 161
 162 static void check_eg_vs_cg(gmx_mtop_t *mtop)
 163 {
 164     int            astart, mb, m, cg, j, firstj;
 165     unsigned char  firsteg, eg;
 166     gmx_moltype_t *molt;
 167
 168     /* Go through all the charge groups and make sure all their
 169      * atoms are in the same energy group.
 170      */
 171
 172     astart = 0;
 173     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 174     {
 175         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 176         for (m = 0; m < mtop->molblock[mb].nmol; m++)
 177         {
 178             for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 179             {
 180                 /* Get the energy group of the first atom in this charge group */
 181                 firstj  = astart + molt->cgs.index[cg];
 182                 firsteg = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, firstj);
 183                 for (j = molt->cgs.index[cg]+1; j < molt->cgs.index[cg+1]; j++)
 184                 {
 185                     eg = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, astart+j);
 186                     if (eg != firsteg)
 187                     {
 188                         gmx_fatal(FARGS, "atoms %d and %d in charge group %d of molecule type '%s' are in different energy groups",
 189                                   firstj+1, astart+j+1, cg+1, *molt->name);
 190                     }
 191                 }
 192             }
 193             astart += molt->atoms.nr;
 194         }
 195     }
 196 }
 197
 198 static void check_cg_sizes(const char *topfn, t_block *cgs, warninp_t wi)
 199 {
 200     int  maxsize, cg;
 201     char warn_buf[STRLEN];
 202
 203     maxsize = 0;
 204     for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 205     {
 206         maxsize = std::max(maxsize, cgs->index[cg+1]-cgs->index[cg]);
 207     }
 208
 209     if (maxsize > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 210     {
 211         gmx_fatal(FARGS, "The largest charge group contains %d atoms. The maximum is %d.", maxsize, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 212     }
 213     else if (maxsize > 10)
 214     {
 215         set_warning_line(wi, topfn, -1);
 216         sprintf(warn_buf,
 217                 "The largest charge group contains %d atoms.\n"
 218                 "Since atoms only see each other when the centers of geometry of the charge groups they belong to are within the cut-off distance, too large charge groups can lead to serious cut-off artifacts.\n"
 219                 "For efficiency and accuracy, charge group should consist of a few atoms.\n"
 220                 "For all-atom force fields use: CH3, CH2, CH, NH2, NH, OH, CO2, CO, etc.",
 221                 maxsize);
 222         warning_note(wi, warn_buf);
 223     }
 224 }
 225
 226 static void check_bonds_timestep(gmx_mtop_t *mtop, double dt, warninp_t wi)
 227 {
 228     /* This check is not intended to ensure accurate integration,
 229      * rather it is to signal mistakes in the mdp settings.
 230      * A common mistake is to forget to turn on constraints
 231      * for MD after energy minimization with flexible bonds.
 232      * This check can also detect too large time steps for flexible water
 233      * models, but such errors will often be masked by the constraints
 234      * mdp options, which turns flexible water into water with bond constraints,
 235      * but without an angle constraint. Unfortunately such incorrect use
 236      * of water models can not easily be detected without checking
 237      * for specific model names.
 238      *
 239      * The stability limit of leap-frog or velocity verlet is 4.44 steps
 240      * per oscillational period.
 241      * But accurate bonds distributions are lost far before that limit.
 242      * To allow relatively common schemes (although not common with Gromacs)
 243      * of dt=1 fs without constraints and dt=2 fs with only H-bond constraints
 244      * we set the note limit to 10.
 245      */
 246     int            min_steps_warn = 5;
 247     int            min_steps_note = 10;
 248     t_iparams     *ip;
 249     int            molt;
 250     gmx_moltype_t *moltype, *w_moltype;
 251     t_atom        *atom;
 252     t_ilist       *ilist, *ilb, *ilc, *ils;
 253     int            ftype;
 254     int            i, a1, a2, w_a1, w_a2, j;
 255     real           twopi2, limit2, fc, re, m1, m2, period2, w_period2;
 256     gmx_bool       bFound, bWater, bWarn;
 257     char           warn_buf[STRLEN];
 258
 259     ip = mtop->ffparams.iparams;
 260
 261     twopi2 = gmx::square(2*M_PI);
 262
 263     limit2 = gmx::square(min_steps_note*dt);
 264
 265     w_a1      = w_a2 = -1;
 266     w_period2 = -1.0;
 267
 268     w_moltype = nullptr;
 269     for (molt = 0; molt < mtop->nmoltype; molt++)
 270     {
 271         moltype = &mtop->moltype[molt];
 272         atom    = moltype->atoms.atom;
 273         ilist   = moltype->ilist;
 274         ilc     = &ilist[F_CONSTR];
 275         ils     = &ilist[F_SETTLE];
 276         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 277         {
 278             if (!(ftype == F_BONDS || ftype == F_G96BONDS || ftype == F_HARMONIC))
 279             {
 280                 continue;
 281             }
 282
 283             ilb = &ilist[ftype];
 284             for (i = 0; i < ilb->nr; i += 3)
 285             {
 286                 fc = ip[ilb->iatoms[i]].harmonic.krA;
 287                 re = ip[ilb->iatoms[i]].harmonic.rA;
 288                 if (ftype == F_G96BONDS)
 289                 {
 290                     /* Convert squared sqaure fc to harmonic fc */
 291                     fc = 2*fc*re;
 292                 }
 293                 a1 = ilb->iatoms[i+1];
 294                 a2 = ilb->iatoms[i+2];
 295                 m1 = atom[a1].m;
 296                 m2 = atom[a2].m;
 297                 if (fc > 0 && m1 > 0 && m2 > 0)
 298                 {
 299                     period2 = twopi2*m1*m2/((m1 + m2)*fc);
 300                 }
 301                 else
 302                 {
 303                     period2 = GMX_FLOAT_MAX;
 304                 }
 305                 if (debug)
 306                 {
 307                     fprintf(debug, "fc %g m1 %g m2 %g period %g\n",
 308                             fc, m1, m2, std::sqrt(period2));
 309                 }
 310                 if (period2 < limit2)
 311                 {
 312                     bFound = FALSE;
 313                     for (j = 0; j < ilc->nr; j += 3)
 314                     {
 315                         if ((ilc->iatoms[j+1] == a1 && ilc->iatoms[j+2] == a2) ||
 316                             (ilc->iatoms[j+1] == a2 && ilc->iatoms[j+2] == a1))
 317                         {
 318                             bFound = TRUE;
 319                         }
 320                     }
 321                     for (j = 0; j < ils->nr; j += 4)
 322                     {
 323                         if ((a1 == ils->iatoms[j+1] || a1 == ils->iatoms[j+2] || a1 == ils->iatoms[j+3]) &&
 324                             (a2 == ils->iatoms[j+1] || a2 == ils->iatoms[j+2] || a2 == ils->iatoms[j+3]))
 325                         {
 326                             bFound = TRUE;
 327                         }
 328                     }
 329                     if (!bFound &&
 330                         (w_moltype == nullptr || period2 < w_period2))
 331                     {
 332                         w_moltype = moltype;
 333                         w_a1      = a1;
 334                         w_a2      = a2;
 335                         w_period2 = period2;
 336                     }
 337                 }
 338             }
 339         }
 340     }
 341
 342     if (w_moltype != nullptr)
 343     {
 344         bWarn = (w_period2 < gmx::square(min_steps_warn*dt));
 345         /* A check that would recognize most water models */
 346         bWater = ((*w_moltype->atoms.atomname[0])[0] == 'O' &&
 347                   w_moltype->atoms.nr <= 5);
 348         sprintf(warn_buf, "The bond in molecule-type %s between atoms %d %s and %d %s has an estimated oscillational period of %.1e ps, which is less than %d times the time step of %.1e ps.\n"
 349                 "%s",
 350                 *w_moltype->name,
 351                 w_a1+1, *w_moltype->atoms.atomname[w_a1],
 352                 w_a2+1, *w_moltype->atoms.atomname[w_a2],
 353                 std::sqrt(w_period2), bWarn ? min_steps_warn : min_steps_note, dt,
 354                 bWater ?
 355                 "Maybe you asked for fexible water." :
 356                 "Maybe you forgot to change the constraints mdp option.");
 357         if (bWarn)
 358         {
 359             warning(wi, warn_buf);
 360         }
 361         else
 362         {
 363             warning_note(wi, warn_buf);
 364         }
 365     }
 366 }
 367
 368 static void check_vel(gmx_mtop_t *mtop, rvec v[])
 369 {
 370     gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
 371     const t_atom           *atom;
 372     int                     a;
 373
 374     aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 375     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &a, &atom))
 376     {
 377         if (atom->ptype == eptShell ||
 378             atom->ptype == eptBond  ||
 379             atom->ptype == eptVSite)
 380         {
 381             clear_rvec(v[a]);
 382         }
 383     }
 384 }
 385
 386 static void check_shells_inputrec(gmx_mtop_t *mtop,
 387                                   t_inputrec *ir,
 388                                   warninp_t   wi)
 389 {
 390     gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
 391     const t_atom           *atom;
 392     int                     a, nshells = 0;
 393     char                    warn_buf[STRLEN];
 394
 395     aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
 396     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &a, &atom))
 397     {
 398         if (atom->ptype == eptShell ||
 399             atom->ptype == eptBond)
 400         {
 401             nshells++;
 402         }
 403     }
 404     if ((nshells > 0) && (ir->nstcalcenergy != 1))
 405     {
 406         set_warning_line(wi, "unknown", -1);
 407         snprintf(warn_buf, STRLEN,
 408                  "There are %d shells, changing nstcalcenergy from %d to 1",
 409                  nshells, ir->nstcalcenergy);
 410         ir->nstcalcenergy = 1;
 411         warning(wi, warn_buf);
 412     }
 413 }
 414
 415 /* TODO Decide whether this function can be consolidated with
 416  * gmx_mtop_ftype_count */
 417 static gmx_bool nint_ftype(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *mi, int ftype)
 418 {
 419     int nint, mb;
 420
 421     nint = 0;
 422     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 423     {
 424         nint += mtop->molblock[mb].nmol*mi[mtop->molblock[mb].type].plist[ftype].nr;
 425     }
 426
 427     return nint;
 428 }
 429
 430 /* This routine reorders the molecule type array
 431  * in the order of use in the molblocks,
 432  * unused molecule types are deleted.
 433  */
 434 static void renumber_moltypes(gmx_mtop_t *sys,
 435                               int *nmolinfo, t_molinfo **molinfo)
 436 {
 437     int       *order, norder, i;
 438     int        mb, mi;
 439     t_molinfo *minew;
 440
 441     snew(order, *nmolinfo);
 442     norder = 0;
 443     for (mb = 0; mb < sys->nmolblock; mb++)
 444     {
 445         for (i = 0; i < norder; i++)
 446         {
 447             if (order[i] == sys->molblock[mb].type)
 448             {
 449                 break;
 450             }
 451         }
 452         if (i == norder)
 453         {
 454             /* This type did not occur yet, add it */
 455             order[norder] = sys->molblock[mb].type;
 456             /* Renumber the moltype in the topology */
 457             norder++;
 458         }
 459         sys->molblock[mb].type = i;
 460     }
 461
 462     /* We still need to reorder the molinfo structs */
 463     snew(minew, norder);
 464     for (mi = 0; mi < *nmolinfo; mi++)
 465     {
 466         for (i = 0; i < norder; i++)
 467         {
 468             if (order[i] == mi)
 469             {
 470                 break;
 471             }
 472         }
 473         if (i == norder)
 474         {
 475             done_mi(&(*molinfo)[mi]);
 476         }
 477         else
 478         {
 479             minew[i] = (*molinfo)[mi];
 480         }
 481     }
 482     sfree(*molinfo);
 483
 484     *nmolinfo = norder;
 485     *molinfo  = minew;
 486 }
 487
 488 static void molinfo2mtop(int nmi, t_molinfo *mi, gmx_mtop_t *mtop)
 489 {
 490     int            m;
 491     gmx_moltype_t *molt;
 492
 493     mtop->nmoltype = nmi;
 494     snew(mtop->moltype, nmi);
 495     for (m = 0; m < nmi; m++)
 496     {
 497         molt        = &mtop->moltype[m];
 498         molt->name  = mi[m].name;
 499         molt->atoms = mi[m].atoms;
 500         /* ilists are copied later */
 501         molt->cgs   = mi[m].cgs;
 502         molt->excls = mi[m].excls;
 503     }
 504 }
 505
 506 static void
 507 new_status(const char *topfile, const char *topppfile, const char *confin,
 508            t_gromppopts *opts, t_inputrec *ir, gmx_bool bZero,
 509            gmx_bool bGenVel, gmx_bool bVerbose, t_state *state,
 510            gpp_atomtype_t atype, gmx_mtop_t *sys,
 511            int *nmi, t_molinfo **mi, t_molinfo **intermolecular_interactions,
 512            t_params plist[],
 513            int *comb, double *reppow, real *fudgeQQ,
 514            gmx_bool bMorse,
 515            warninp_t wi)
 516 {
 517     t_molinfo      *molinfo = nullptr;
 518     int             nmolblock;
 519     gmx_molblock_t *molblock, *molbs;
 520     int             mb, i, nrmols, nmismatch;
 521     char            buf[STRLEN];
 522     char            warn_buf[STRLEN];
 523
 524     init_mtop(sys);
 525
 526     /* TOPOLOGY processing */
 527     sys->name = do_top(bVerbose, topfile, topppfile, opts, bZero, &(sys->symtab),
 528                        plist, comb, reppow, fudgeQQ,
 529                        atype, &nrmols, &molinfo, intermolecular_interactions,
 530                        ir,
 531                        &nmolblock, &molblock,
 532                        wi);
 533
 534     sys->nmolblock = 0;
 535     snew(sys->molblock, nmolblock);
 536
 537     sys->natoms = 0;
 538     for (mb = 0; mb < nmolblock; mb++)
 539     {
 540         if (sys->nmolblock > 0 &&
 541             molblock[mb].type == sys->molblock[sys->nmolblock-1].type)
 542         {
 543             /* Merge consecutive blocks with the same molecule type */
 544             sys->molblock[sys->nmolblock-1].nmol += molblock[mb].nmol;
 545             sys->natoms += molblock[mb].nmol*sys->molblock[sys->nmolblock-1].natoms_mol;
 546         }
 547         else if (molblock[mb].nmol > 0)
 548         {
 549             /* Add a new molblock to the topology */
 550             molbs             = &sys->molblock[sys->nmolblock];
 551             *molbs            = molblock[mb];
 552             molbs->natoms_mol = molinfo[molbs->type].atoms.nr;
 553             molbs->nposres_xA = 0;
 554             molbs->nposres_xB = 0;
 555             sys->natoms      += molbs->nmol*molbs->natoms_mol;
 556             sys->nmolblock++;
 557         }
 558     }
 559     if (sys->nmolblock == 0)
 560     {
 561         gmx_fatal(FARGS, "No molecules were defined in the system");
 562     }
 563
 564     renumber_moltypes(sys, &nrmols, &molinfo);
 565
 566     if (bMorse)
 567     {
 568         convert_harmonics(nrmols, molinfo, atype);
 569     }
 570
 571     if (ir->eDisre == edrNone)
 572     {
 573         i = rm_interactions(F_DISRES, nrmols, molinfo);
 574         if (i > 0)
 575         {
 576             set_warning_line(wi, "unknown", -1);
 577             sprintf(warn_buf, "disre = no, removed %d distance restraints", i);
 578             warning_note(wi, warn_buf);
 579         }
 580     }
 581     if (opts->bOrire == FALSE)
 582     {
 583         i = rm_interactions(F_ORIRES, nrmols, molinfo);
 584         if (i > 0)
 585         {
 586             set_warning_line(wi, "unknown", -1);
 587             sprintf(warn_buf, "orire = no, removed %d orientation restraints", i);
 588             warning_note(wi, warn_buf);
 589         }
 590     }
 591
 592     /* Copy structures from msys to sys */
 593     molinfo2mtop(nrmols, molinfo, sys);
 594
 595     gmx_mtop_finalize(sys);
 596
 597     /* COORDINATE file processing */
 598     if (bVerbose)
 599     {
 600         fprintf(stderr, "processing coordinates...\n");
 601     }
 602
 603     t_topology *conftop;
 604     rvec       *x = nullptr;
 605     rvec       *v = nullptr;
 606     snew(conftop, 1);
 607     read_tps_conf(confin, conftop, nullptr, &x, &v, state->box, FALSE);
 608     state->natoms = conftop->atoms.nr;
 609     if (state->natoms != sys->natoms)
 610     {
 611         gmx_fatal(FARGS, "number of coordinates in coordinate file (%s, %d)\n"
 612                   "             does not match topology (%s, %d)",
 613                   confin, state->natoms, topfile, sys->natoms);
 614     }
 615     /* It would be nice to get rid of the copies below, but we don't know
 616      * a priori if the number of atoms in confin matches what we expect.
 617      */
 618     state->flags |= (1 << estX);
 619     if (v != NULL)
 620     {
 621         state->flags |= (1 << estV);
 622     }
 623     state_change_natoms(state, state->natoms);
 624     for (int i = 0; i < state->natoms; i++)
 625     {
 626         copy_rvec(x[i], state->x[i]);
 627     }
 628     sfree(x);
 629     if (v != nullptr)
 630     {
 631         for (int i = 0; i < state->natoms; i++)
 632         {
 633             copy_rvec(v[i], state->v[i]);
 634         }
 635         sfree(v);
 636     }
 637     /* This call fixes the box shape for runs with pressure scaling */
 638     set_box_rel(ir, state);
 639
 640     nmismatch = check_atom_names(topfile, confin, sys, &conftop->atoms);
 641     done_top(conftop);
 642     sfree(conftop);
 643
 644     if (nmismatch)
 645     {
 646         sprintf(buf, "%d non-matching atom name%s\n"
 647                 "atom names from %s will be used\n"
 648                 "atom names from %s will be ignored\n",
 649                 nmismatch, (nmismatch == 1) ? "" : "s", topfile, confin);
 650         warning(wi, buf);
 651     }
 652
 653     /* If using the group scheme, make sure charge groups are made whole to avoid errors
 654      * in calculating charge group size later on
 655      */
 656     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP && ir->ePBC != epbcNONE)
 657     {
 658         // Need temporary rvec for coordinates
 659         do_pbc_first_mtop(nullptr, ir->ePBC, state->box, sys, as_rvec_array(state->x.data()));
 660     }
 661
 662     /* Do more checks, mostly related to constraints */
 663     if (bVerbose)
 664     {
 665         fprintf(stderr, "double-checking input for internal consistency...\n");
 666     }
 667     {
 668         int bHasNormalConstraints = 0 < (nint_ftype(sys, molinfo, F_CONSTR) +
 669                                          nint_ftype(sys, molinfo, F_CONSTRNC));
 670         int bHasAnyConstraints = bHasNormalConstraints || 0 < nint_ftype(sys, molinfo, F_SETTLE);
 671         double_check(ir, state->box,
 672                      bHasNormalConstraints,
 673                      bHasAnyConstraints,
 674                      wi);
 675     }
 676
 677     if (bGenVel)
 678     {
 679         real                   *mass;
 680         gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
 681         const t_atom           *atom;
 682
 683         snew(mass, state->natoms);
 684         aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(sys);
 685         while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &i, &atom))
 686         {
 687             mass[i] = atom->m;
 688         }
 689
 690         if (opts->seed == -1)
 691         {
 692             opts->seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
 693             fprintf(stderr, "Setting gen_seed to %d\n", opts->seed);
 694         }
 695         state->flags |= (1 << estV);
 696         maxwell_speed(opts->tempi, opts->seed, sys, as_rvec_array(state->v.data()));
 697
 698         stop_cm(stdout, state->natoms, mass, as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(state->v.data()));
 699         sfree(mass);
 700     }
 701
 702     *nmi = nrmols;
 703     *mi  = molinfo;
 704 }
 705
 706 static void copy_state(const char *slog, t_trxframe *fr,
 707                        gmx_bool bReadVel, t_state *state,
 708                        double *use_time)
 709 {
 710     int i;
 711
 712     if (fr->not_ok & FRAME_NOT_OK)
 713     {
 714         gmx_fatal(FARGS, "Can not start from an incomplete frame");
 715     }
 716     if (!fr->bX)
 717     {
 718         gmx_fatal(FARGS, "Did not find a frame with coordinates in file %s",
 719                   slog);
 720     }
 721
 722     for (i = 0; i < state->natoms; i++)
 723     {
 724         copy_rvec(fr->x[i], state->x[i]);
 725     }
 726     if (bReadVel)
 727     {
 728         if (!fr->bV)
 729         {
 730             gmx_incons("Trajecory frame unexpectedly does not contain velocities");
 731         }
 732         for (i = 0; i < state->natoms; i++)
 733         {
 734             copy_rvec(fr->v[i], state->v[i]);
 735         }
 736     }
 737     if (fr->bBox)
 738     {
 739         copy_mat(fr->box, state->box);
 740     }
 741
 742     *use_time = fr->time;
 743 }
 744
 745 static void cont_status(const char *slog, const char *ener,
 746                         gmx_bool bNeedVel, gmx_bool bGenVel, real fr_time,
 747                         t_inputrec *ir, t_state *state,
 748                         gmx_mtop_t *sys,
 749                         const gmx_output_env_t *oenv)
 750 /* If fr_time == -1 read the last frame available which is complete */
 751 {
 752     gmx_bool     bReadVel;
 753     t_trxframe   fr;
 754     t_trxstatus *fp;
 755     int          i;
 756     double       use_time;
 757
 758     bReadVel = (bNeedVel && !bGenVel);
 759
 760     fprintf(stderr,
 761             "Reading Coordinates%s and Box size from old trajectory\n",
 762             bReadVel ? ", Velocities" : "");
 763     if (fr_time == -1)
 764     {
 765         fprintf(stderr, "Will read whole trajectory\n");
 766     }
 767     else
 768     {
 769         fprintf(stderr, "Will read till time %g\n", fr_time);
 770     }
 771     if (!bReadVel)
 772     {
 773         if (bGenVel)
 774         {
 775             fprintf(stderr, "Velocities generated: "
 776                     "ignoring velocities in input trajectory\n");
 777         }
 778         read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X);
 779     }
 780     else
 781     {
 782         read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X | TRX_NEED_V);
 783
 784         if (!fr.bV)
 785         {
 786             fprintf(stderr,
 787                     "\n"
 788                     "WARNING: Did not find a frame with velocities in file %s,\n"
 789                     "         all velocities will be set to zero!\n\n", slog);
 790             for (i = 0; i < sys->natoms; i++)
 791             {
 792                 clear_rvec(state->v[i]);
 793             }
 794             close_trx(fp);
 795             /* Search for a frame without velocities */
 796             bReadVel = FALSE;
 797             read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X);
 798         }
 799     }
 800
 801     state->natoms = fr.natoms;
 802
 803     if (sys->natoms != state->natoms)
 804     {
 805         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in Topology "
 806                   "is not the same as in Trajectory");
 807     }
 808     copy_state(slog, &fr, bReadVel, state, &use_time);
 809
 810     /* Find the appropriate frame */
 811     while ((fr_time == -1 || fr.time < fr_time) &&
 812            read_next_frame(oenv, fp, &fr))
 813     {
 814         copy_state(slog, &fr, bReadVel, state, &use_time);
 815     }
 816
 817     close_trx(fp);
 818
 819     /* Set the relative box lengths for preserving the box shape.
 820      * Note that this call can lead to differences in the last bit
 821      * with respect to using gmx convert-tpr to create a [REF].tpx[ref] file.
 822      */
 823     set_box_rel(ir, state);
 824
 825     fprintf(stderr, "Using frame at t = %g ps\n", use_time);
 826     fprintf(stderr, "Starting time for run is %g ps\n", ir->init_t);
 827
 828     if ((ir->epc != epcNO  || ir->etc == etcNOSEHOOVER) && ener)
 829     {
 830         get_enx_state(ener, use_time, &sys->groups, ir, state);
 831         preserve_box_shape(ir, state->box_rel, state->boxv);
 832     }
 833 }
 834
 835 static void read_posres(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *molinfo, gmx_bool bTopB,
 836                         const char *fn,
 837                         int rc_scaling, int ePBC,
 838                         rvec com,
 839                         warninp_t wi)
 840 {
 841     gmx_bool       *hadAtom;
 842     rvec           *x, *v, *xp;
 843     dvec            sum;
 844     double          totmass;
 845     t_topology     *top;
 846     matrix          box, invbox;
 847     int             natoms, npbcdim = 0;
 848     char            warn_buf[STRLEN];
 849     int             a, i, ai, j, k, mb, nat_molb;
 850     gmx_molblock_t *molb;
 851     t_params       *pr, *prfb;
 852     t_atom         *atom;
 853
 854     snew(top, 1);
 855     read_tps_conf(fn, top, nullptr, &x, &v, box, FALSE);
 856     natoms = top->atoms.nr;
 857     done_top(top);
 858     sfree(top);
 859     if (natoms != mtop->natoms)
 860     {
 861         sprintf(warn_buf, "The number of atoms in %s (%d) does not match the number of atoms in the topology (%d). Will assume that the first %d atoms in the topology and %s match.", fn, natoms, mtop->natoms, std::min(mtop->natoms, natoms), fn);
 862         warning(wi, warn_buf);
 863     }
 864
 865     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
 866     clear_rvec(com);
 867     if (rc_scaling != erscNO)
 868     {
 869         copy_mat(box, invbox);
 870         for (j = npbcdim; j < DIM; j++)
 871         {
 872             clear_rvec(invbox[j]);
 873             invbox[j][j] = 1;
 874         }
 875         gmx::invertBoxMatrix(invbox, invbox);
 876     }
 877
 878     /* Copy the reference coordinates to mtop */
 879     clear_dvec(sum);
 880     totmass = 0;
 881     a       = 0;
 882     snew(hadAtom, natoms);
 883     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 884     {
 885         molb     = &mtop->molblock[mb];
 886         nat_molb = molb->nmol*mtop->moltype[molb->type].atoms.nr;
 887         pr       = &(molinfo[molb->type].plist[F_POSRES]);
 888         prfb     = &(molinfo[molb->type].plist[F_FBPOSRES]);
 889         if (pr->nr > 0 || prfb->nr > 0)
 890         {
 891             atom = mtop->moltype[molb->type].atoms.atom;
 892             for (i = 0; (i < pr->nr); i++)
 893             {
 894                 ai = pr->param[i].ai();
 895                 if (ai >= natoms)
 896                 {
 897                     gmx_fatal(FARGS, "Position restraint atom index (%d) in moltype '%s' is larger than number of atoms in %s (%d).\n",
 898                               ai+1, *molinfo[molb->type].name, fn, natoms);
 899                 }
 900                 hadAtom[ai] = TRUE;
 901                 if (rc_scaling == erscCOM)
 902                 {
 903                     /* Determine the center of mass of the posres reference coordinates */
 904                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 905                     {
 906                         sum[j] += atom[ai].m*x[a+ai][j];
 907                     }
 908                     totmass  += atom[ai].m;
 909                 }
 910             }
 911             /* Same for flat-bottomed posres, but do not count an atom twice for COM */
 912             for (i = 0; (i < prfb->nr); i++)
 913             {
 914                 ai = prfb->param[i].ai();
 915                 if (ai >= natoms)
 916                 {
 917                     gmx_fatal(FARGS, "Position restraint atom index (%d) in moltype '%s' is larger than number of atoms in %s (%d).\n",
 918                               ai+1, *molinfo[molb->type].name, fn, natoms);
 919                 }
 920                 if (rc_scaling == erscCOM && hadAtom[ai] == FALSE)
 921                 {
 922                     /* Determine the center of mass of the posres reference coordinates */
 923                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 924                     {
 925                         sum[j] += atom[ai].m*x[a+ai][j];
 926                     }
 927                     totmass  += atom[ai].m;
 928                 }
 929             }
 930             if (!bTopB)
 931             {
 932                 molb->nposres_xA = nat_molb;
 933                 snew(molb->posres_xA, molb->nposres_xA);
 934                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 935                 {
 936                     copy_rvec(x[a+i], molb->posres_xA[i]);
 937                 }
 938             }
 939             else
 940             {
 941                 molb->nposres_xB = nat_molb;
 942                 snew(molb->posres_xB, molb->nposres_xB);
 943                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 944                 {
 945                     copy_rvec(x[a+i], molb->posres_xB[i]);
 946                 }
 947             }
 948         }
 949         a += nat_molb;
 950     }
 951     if (rc_scaling == erscCOM)
 952     {
 953         if (totmass == 0)
 954         {
 955             gmx_fatal(FARGS, "The total mass of the position restraint atoms is 0");
 956         }
 957         for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 958         {
 959             com[j] = sum[j]/totmass;
 960         }
 961         fprintf(stderr, "The center of mass of the position restraint coord's is %6.3f %6.3f %6.3f\n", com[XX], com[YY], com[ZZ]);
 962     }
 963
 964     if (rc_scaling != erscNO)
 965     {
 966         GMX_ASSERT(npbcdim <= DIM, "Only DIM dimensions can have PBC");
 967
 968         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 969         {
 970             molb     = &mtop->molblock[mb];
 971             nat_molb = molb->nmol*mtop->moltype[molb->type].atoms.nr;
 972             if (molb->nposres_xA > 0 || molb->nposres_xB > 0)
 973             {
 974                 xp = (!bTopB ? molb->posres_xA : molb->posres_xB);
 975                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 976                 {
 977                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 978                     {
 979                         if (rc_scaling == erscALL)
 980                         {
 981                             /* Convert from Cartesian to crystal coordinates */
 982                             xp[i][j] *= invbox[j][j];
 983                             for (k = j+1; k < npbcdim; k++)
 984                             {
 985                                 xp[i][j] += invbox[k][j]*xp[i][k];
 986                             }
 987                         }
 988                         else if (rc_scaling == erscCOM)
 989                         {
 990                             /* Subtract the center of mass */
 991                             xp[i][j] -= com[j];
 992                         }
 993                     }
 994                 }
 995             }
 996         }
 997
 998         if (rc_scaling == erscCOM)
 999         {
1000             /* Convert the COM from Cartesian to crystal coordinates */
1001             for (j = 0; j < npbcdim; j++)
1002             {
1003                 com[j] *= invbox[j][j];
1004                 for (k = j+1; k < npbcdim; k++)
1005                 {
1006                     com[j] += invbox[k][j]*com[k];
1007                 }
1008             }
1009         }
1010     }
1011
1012     sfree(x);
1013     sfree(v);
1014     sfree(hadAtom);
1015 }
1016
1017 static void gen_posres(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *mi,
1018                        const char *fnA, const char *fnB,
1019                        int rc_scaling, int ePBC,
1020                        rvec com, rvec comB,
1021                        warninp_t wi)
1022 {
1023     read_posres  (mtop, mi, FALSE, fnA, rc_scaling, ePBC, com, wi);
1024     /* It is safer to simply read the b-state posres rather than trying
1025      * to be smart and copy the positions.
1026      */
1027     read_posres(mtop, mi, TRUE, fnB, rc_scaling, ePBC, comB, wi);
1028 }
1029
1030 static void set_wall_atomtype(gpp_atomtype_t at, t_gromppopts *opts,
1031                               t_inputrec *ir, warninp_t wi)
1032 {
1033     int  i;
1034     char warn_buf[STRLEN];
1035
1036     if (ir->nwall > 0)
1037     {
1038         fprintf(stderr, "Searching the wall atom type(s)\n");
1039     }
1040     for (i = 0; i < ir->nwall; i++)
1041     {
1042         ir->wall_atomtype[i] = get_atomtype_type(opts->wall_atomtype[i], at);
1043         if (ir->wall_atomtype[i] == NOTSET)
1044         {
1045             sprintf(warn_buf, "Specified wall atom type %s is not defined", opts->wall_atomtype[i]);
1046             warning_error(wi, warn_buf);
1047         }
1048     }
1049 }
1050
1051 static int nrdf_internal(t_atoms *atoms)
1052 {
1053     int i, nmass, nrdf;
1054
1055     nmass = 0;
1056     for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
1057     {
1058         /* Vsite ptype might not be set here yet, so also check the mass */
1059         if ((atoms->atom[i].ptype == eptAtom ||
1060              atoms->atom[i].ptype == eptNucleus)
1061             && atoms->atom[i].m > 0)
1062         {
1063             nmass++;
1064         }
1065     }
1066     switch (nmass)
1067     {
1068         case 0:  nrdf = 0; break;
1069         case 1:  nrdf = 0; break;
1070         case 2:  nrdf = 1; break;
1071         default: nrdf = nmass*3 - 6; break;
1072     }
1073
1074     return nrdf;
1075 }
1076
1077 static void
1078 spline1d( double        dx,
1079           double *      y,
1080           int           n,
1081           double *      u,
1082           double *      y2 )
1083 {
1084     int    i;
1085     double p, q;
1086
1087     y2[0] = 0.0;
1088     u[0]  = 0.0;
1089
1090     for (i = 1; i < n-1; i++)
1091     {
1092         p     = 0.5*y2[i-1]+2.0;
1093         y2[i] = -0.5/p;
1094         q     = (y[i+1]-2.0*y[i]+y[i-1])/dx;
1095         u[i]  = (3.0*q/dx-0.5*u[i-1])/p;
1096     }
1097
1098     y2[n-1] = 0.0;
1099
1100     for (i = n-2; i >= 0; i--)
1101     {
1102         y2[i] = y2[i]*y2[i+1]+u[i];
1103     }
1104 }
1105
1106
1107 static void
1108 interpolate1d( double     xmin,
1109                double     dx,
1110                double *   ya,
1111                double *   y2a,
1112                double     x,
1113                double *   y,
1114                double *   y1)
1115 {
1116     int    ix;
1117     double a, b;
1118
1119     ix = static_cast<int>((x-xmin)/dx);
1120
1121     a = (xmin+(ix+1)*dx-x)/dx;
1122     b = (x-xmin-ix*dx)/dx;
1123
1124     *y  = a*ya[ix]+b*ya[ix+1]+((a*a*a-a)*y2a[ix]+(b*b*b-b)*y2a[ix+1])*(dx*dx)/6.0;
1125     *y1 = (ya[ix+1]-ya[ix])/dx-(3.0*a*a-1.0)/6.0*dx*y2a[ix]+(3.0*b*b-1.0)/6.0*dx*y2a[ix+1];
1126 }
1127
1128
1129 static void
1130 setup_cmap (int              grid_spacing,
1131             int              nc,
1132             real *           grid,
1133             gmx_cmap_t *     cmap_grid)
1134 {
1135     double *tmp_u, *tmp_u2, *tmp_yy, *tmp_y1, *tmp_t2, *tmp_grid;
1136
1137     int     i, j, k, ii, jj, kk, idx;
1138     int     offset;
1139     double  dx, xmin, v, v1, v2, v12;
1140     double  phi, psi;
1141
1142     snew(tmp_u, 2*grid_spacing);
1143     snew(tmp_u2, 2*grid_spacing);
1144     snew(tmp_yy, 2*grid_spacing);
1145     snew(tmp_y1, 2*grid_spacing);
1146     snew(tmp_t2, 2*grid_spacing*2*grid_spacing);
1147     snew(tmp_grid, 2*grid_spacing*2*grid_spacing);
1148
1149     dx   = 360.0/grid_spacing;
1150     xmin = -180.0-dx*grid_spacing/2;
1151
1152     for (kk = 0; kk < nc; kk++)
1153     {
1154         /* Compute an offset depending on which cmap we are using
1155          * Offset will be the map number multiplied with the
1156          * grid_spacing * grid_spacing * 2
1157          */
1158         offset = kk * grid_spacing * grid_spacing * 2;
1159
1160         for (i = 0; i < 2*grid_spacing; i++)
1161         {
1162             ii = (i+grid_spacing-grid_spacing/2)%grid_spacing;
1163
1164             for (j = 0; j < 2*grid_spacing; j++)
1165             {
1166                 jj = (j+grid_spacing-grid_spacing/2)%grid_spacing;
1167                 tmp_grid[i*grid_spacing*2+j] = grid[offset+ii*grid_spacing+jj];
1168             }
1169         }
1170
1171         for (i = 0; i < 2*grid_spacing; i++)
1172         {
1173             spline1d(dx, &(tmp_grid[2*grid_spacing*i]), 2*grid_spacing, tmp_u, &(tmp_t2[2*grid_spacing*i]));
1174         }
1175
1176         for (i = grid_spacing/2; i < grid_spacing+grid_spacing/2; i++)
1177         {
1178             ii  = i-grid_spacing/2;
1179             phi = ii*dx-180.0;
1180
1181             for (j = grid_spacing/2; j < grid_spacing+grid_spacing/2; j++)
1182             {
1183                 jj  = j-grid_spacing/2;
1184                 psi = jj*dx-180.0;
1185
1186                 for (k = 0; k < 2*grid_spacing; k++)
1187                 {
1188                     interpolate1d(xmin, dx, &(tmp_grid[2*grid_spacing*k]),
1189                                   &(tmp_t2[2*grid_spacing*k]), psi, &tmp_yy[k], &tmp_y1[k]);
1190                 }
1191
1192                 spline1d(dx, tmp_yy, 2*grid_spacing, tmp_u, tmp_u2);
1193                 interpolate1d(xmin, dx, tmp_yy, tmp_u2, phi, &v, &v1);
1194                 spline1d(dx, tmp_y1, 2*grid_spacing, tmp_u, tmp_u2);
1195                 interpolate1d(xmin, dx, tmp_y1, tmp_u2, phi, &v2, &v12);
1196
1197                 idx = ii*grid_spacing+jj;
1198                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4]   = grid[offset+ii*grid_spacing+jj];
1199                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+1] = v1;
1200                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+2] = v2;
1201                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+3] = v12;
1202             }
1203         }
1204     }
1205 }
1206
1207 static void init_cmap_grid(gmx_cmap_t *cmap_grid, int ngrid, int grid_spacing)
1208 {
1209     int i, nelem;
1210
1211     cmap_grid->ngrid        = ngrid;
1212     cmap_grid->grid_spacing = grid_spacing;
1213     nelem                   = cmap_grid->grid_spacing*cmap_grid->grid_spacing;
1214
1215     snew(cmap_grid->cmapdata, ngrid);
1216
1217     for (i = 0; i < cmap_grid->ngrid; i++)
1218     {
1219         snew(cmap_grid->cmapdata[i].cmap, 4*nelem);
1220     }
1221 }
1222
1223
1224 static int count_constraints(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *mi, warninp_t wi)
1225 {
1226     int             count, count_mol, i, mb;
1227     gmx_molblock_t *molb;
1228     t_params       *plist;
1229     char            buf[STRLEN];
1230
1231     count = 0;
1232     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1233     {
1234         count_mol = 0;
1235         molb      = &mtop->molblock[mb];
1236         plist     = mi[molb->type].plist;
1237
1238         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
1239         {
1240             if (i == F_SETTLE)
1241             {
1242                 count_mol += 3*plist[i].nr;
1243             }
1244             else if (interaction_function[i].flags & IF_CONSTRAINT)
1245             {
1246                 count_mol += plist[i].nr;
1247             }
1248         }
1249
1250         if (count_mol > nrdf_internal(&mi[molb->type].atoms))
1251         {
1252             sprintf(buf,
1253                     "Molecule type '%s' has %d constraints.\n"
1254                     "For stability and efficiency there should not be more constraints than internal number of degrees of freedom: %d.\n",
1255                     *mi[molb->type].name, count_mol,
1256                     nrdf_internal(&mi[molb->type].atoms));
1257             warning(wi, buf);
1258         }
1259         count += molb->nmol*count_mol;
1260     }
1261
1262     return count;
1263 }
1264
1265 static real calc_temp(const gmx_mtop_t *mtop,
1266                       const t_inputrec *ir,
1267                       rvec             *v)
1268 {
1269     gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
1270     const t_atom           *atom;
1271     int                     a;
1272
1273     double                  sum_mv2 = 0;
1274     aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
1275     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &a, &atom))
1276     {
1277         sum_mv2 += atom->m*norm2(v[a]);
1278     }
1279
1280     double nrdf = 0;
1281     for (int g = 0; g < ir->opts.ngtc; g++)
1282     {
1283         nrdf += ir->opts.nrdf[g];
1284     }
1285
1286     return sum_mv2/(nrdf*BOLTZ);
1287 }
1288
1289 static real get_max_reference_temp(const t_inputrec *ir,
1290                                    warninp_t         wi)
1291 {
1292     real     ref_t;
1293     int      i;
1294     gmx_bool bNoCoupl;
1295
1296     ref_t    = 0;
1297     bNoCoupl = FALSE;
1298     for (i = 0; i < ir->opts.ngtc; i++)
1299     {
1300         if (ir->opts.tau_t[i] < 0)
1301         {
1302             bNoCoupl = TRUE;
1303         }
1304         else
1305         {
1306             ref_t = std::max(ref_t, ir->opts.ref_t[i]);
1307         }
1308     }
1309
1310     if (bNoCoupl)
1311     {
1312         char buf[STRLEN];
1313
1314         sprintf(buf, "Some temperature coupling groups do not use temperature coupling. We will assume their temperature is not more than %.3f K. If their temperature is higher, the energy error and the Verlet buffer might be underestimated.",
1315                 ref_t);
1316         warning(wi, buf);
1317     }
1318
1319     return ref_t;
1320 }
1321
1322 /* Checks if there are unbound atoms in moleculetype molt.
1323  * Prints a note for each unbound atoms and a warning if any is present.
1324  */
1325 static void checkForUnboundAtoms(const gmx_moltype_t *molt,
1326                                  gmx_bool             bVerbose,
1327                                  warninp_t            wi)
1328 {
1329     const t_atoms *atoms = &molt->atoms;
1330
1331     if (atoms->nr == 1)
1332     {
1333         /* Only one atom, there can't be unbound atoms */
1334         return;
1335     }
1336
1337     std::vector<int> count(atoms->nr, 0);
1338
1339     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1340     {
1341         if (((interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) && ftype != F_CONNBONDS) ||
1342             (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT) ||
1343             ftype == F_SETTLE)
1344         {
1345             const t_ilist *il   = &molt->ilist[ftype];
1346             int            nral = NRAL(ftype);
1347
1348             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1 + nral)
1349             {
1350                 for (int j = 0; j < nral; j++)
1351                 {
1352                     count[il->iatoms[i + 1 + j]]++;
1353                 }
1354             }
1355         }
1356     }
1357
1358     int numDanglingAtoms = 0;
1359     for (int a = 0; a < atoms->nr; a++)
1360     {
1361         if (atoms->atom[a].ptype != eptVSite &&
1362             count[a] == 0)
1363         {
1364             if (bVerbose)
1365             {
1366                 fprintf(stderr, "\nAtom %d '%s' in moleculetype '%s' is not bound by a potential or constraint to any other atom in the same moleculetype.\n",
1367                         a + 1, *atoms->atomname[a], *molt->name);
1368             }
1369             numDanglingAtoms++;
1370         }
1371     }
1372
1373     if (numDanglingAtoms > 0)
1374     {
1375         char buf[STRLEN];
1376         sprintf(buf, "In moleculetype '%s' %d atoms are not bound by a potential or constraint to any other atom in the same moleculetype. Although technically this might not cause issues in a simulation, this often means that the user forgot to add a bond/potential/constraint or put multiple molecules in the same moleculetype definition by mistake. Run with -v to get information for each atom.",
1377                 *molt->name, numDanglingAtoms);
1378         warning_note(wi, buf);
1379     }
1380 }
1381
1382 /* Checks all moleculetypes for unbound atoms */
1383 static void checkForUnboundAtoms(const gmx_mtop_t *mtop,
1384                                  gmx_bool          bVerbose,
1385                                  warninp_t         wi)
1386 {
1387     for (int mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1388     {
1389         checkForUnboundAtoms(&mtop->moltype[mt], bVerbose, wi);
1390     }
1391 }
1392
1393 /*! \brief Checks if there are decoupled modes in moleculetype \p molt.
1394  *
1395  * The specific decoupled modes this routine check for are angle modes
1396  * where the two bonds are constrained and the atoms a both ends are only
1397  * involved in a single constraint; the mass of the two atoms needs to
1398  * differ by more than \p massFactorThreshold.
1399  */
1400 static bool haveDecoupledModeInMol(const gmx_moltype_t *molt,
1401                                    const t_iparams     *iparams,
1402                                    real                 massFactorThreshold)
1403 {
1404     if (molt->ilist[F_CONSTR].nr == 0 && molt->ilist[F_CONSTRNC].nr == 0)
1405     {
1406         return false;
1407     }
1408
1409     const t_atom * atom = molt->atoms.atom;
1410
1411     int            numFlexibleConstraints;
1412     t_blocka       atomToConstraints = make_at2con(0, molt->atoms.nr,
1413                                                    molt->ilist, iparams,
1414                                                    FALSE,
1415                                                    &numFlexibleConstraints);
1416
1417     bool           haveDecoupledMode = false;
1418     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1419     {
1420         if (interaction_function[ftype].flags & IF_ATYPE)
1421         {
1422             const int      nral = NRAL(ftype);
1423             const t_ilist *il   = &molt->ilist[ftype];
1424             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1 + nral)
1425             {
1426                 /* Here we check for the mass difference between the atoms
1427                  * at both ends of the angle, that the atoms at the ends have
1428                  * 1 contraint and the atom in the middle at least 3; we check
1429                  * that the 3 atoms are linked by constraints below.
1430                  * We check for at least three constraints for the middle atom,
1431                  * since with only the two bonds in the angle, we have 3-atom
1432                  * molecule, which has much more thermal exhange in this single
1433                  * angle mode than molecules with more atoms.
1434                  * Note that this check also catches molecules where more atoms
1435                  * are connected to one or more atoms in the angle, but by
1436                  * bond potentials instead of angles. But such cases will not
1437                  * occur in "normal" molecules and it doesn't hurt running
1438                  * those with higher accuracy settings as well.
1439                  */
1440                 int a0 = il->iatoms[1 + i];
1441                 int a1 = il->iatoms[1 + i + 1];
1442                 int a2 = il->iatoms[1 + i + 2];
1443                 if ((atom[a0].m > atom[a2].m*massFactorThreshold ||
1444                      atom[a2].m > atom[a0].m*massFactorThreshold) &&
1445                     atomToConstraints.index[a0 + 1] - atomToConstraints.index[a0] == 1 &&
1446                     atomToConstraints.index[a2 + 1] - atomToConstraints.index[a2] == 1 &&
1447                     atomToConstraints.index[a1 + 1] - atomToConstraints.index[a1] >= 3)
1448                 {
1449                     int  constraint0 = atomToConstraints.a[atomToConstraints.index[a0]];
1450                     int  constraint2 = atomToConstraints.a[atomToConstraints.index[a2]];
1451
1452                     bool foundAtom0  = false;
1453                     bool foundAtom2  = false;
1454                     for (int conIndex = atomToConstraints.index[a1]; conIndex < atomToConstraints.index[a1 + 1]; conIndex++)
1455                     {
1456                         if (atomToConstraints.a[conIndex] == constraint0)
1457                         {
1458                             foundAtom0 = true;
1459                         }
1460                         if (atomToConstraints.a[conIndex] == constraint2)
1461                         {
1462                             foundAtom2 = true;
1463                         }
1464                     }
1465                     if (foundAtom0 && foundAtom2)
1466                     {
1467                         haveDecoupledMode = true;
1468                     }
1469                 }
1470             }
1471         }
1472     }
1473
1474     done_blocka(&atomToConstraints);
1475
1476     return haveDecoupledMode;
1477 }
1478
1479 /*! \brief Checks if the Verlet buffer and constraint accuracy is sufficient for decoupled dynamic modes.
1480  *
1481  * When decoupled modes are present and the accuray in insufficient,
1482  * this routine issues a warning if the accuracy is insufficient.
1483  */
1484 static void checkDecoupledModeAccuracy(const gmx_mtop_t *mtop,
1485                                        const t_inputrec *ir,
1486                                        warninp_t         wi)
1487 {
1488     /* We only have issues with decoupled modes with normal MD.
1489      * With stochastic dynamics equipartitioning is enforced strongly.
1490      */
1491     if (!EI_MD(ir->eI))
1492     {
1493         return;
1494     }
1495
1496     /* When atoms of very different mass are involved in an angle potential
1497      * and both bonds in the angle are constrained, the dynamic modes in such
1498      * angles have very different periods and significant energy exchange
1499      * takes several nanoseconds. Thus even a small amount of error in
1500      * different algorithms can lead to violation of equipartitioning.
1501      * The parameters below are mainly based on an all-atom chloroform model
1502      * with all bonds constrained. Equipartitioning is off by more than 1%
1503      * (need to run 5-10 ns) when the difference in mass between H and Cl
1504      * is more than a factor 13 and the accuracy is less than the thresholds
1505      * given below. This has been verified on some other molecules.
1506      *
1507      * Note that the buffer and shake parameters have unit length and
1508      * energy/time, respectively, so they will "only" work correctly
1509      * for atomistic force fields using MD units.
1510      */
1511     const real massFactorThreshold      = 13.0;
1512     const real bufferToleranceThreshold = 1e-4;
1513     const int  lincsIterationThreshold  = 2;
1514     const int  lincsOrderThreshold      = 4;
1515     const real shakeToleranceThreshold  = 0.005*ir->delta_t;
1516
1517     bool       lincsWithSufficientTolerance = (ir->eConstrAlg == econtLINCS && ir->nLincsIter >= lincsIterationThreshold && ir->nProjOrder >= lincsOrderThreshold);
1518     bool       shakeWithSufficientTolerance = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE && ir->shake_tol <= 1.1*shakeToleranceThreshold);
1519     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET &&
1520         ir->verletbuf_tol <= 1.1*bufferToleranceThreshold &&
1521         (lincsWithSufficientTolerance || shakeWithSufficientTolerance))
1522     {
1523         return;
1524     }
1525
1526     bool haveDecoupledMode = false;
1527     for (int mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1528     {
1529         if (haveDecoupledModeInMol(&mtop->moltype[mt], mtop->ffparams.iparams,
1530                                    massFactorThreshold))
1531         {
1532             haveDecoupledMode = true;
1533         }
1534     }
1535
1536     if (haveDecoupledMode)
1537     {
1538         char modeMessage[STRLEN];
1539         sprintf(modeMessage, "There are atoms at both ends of an angle, connected by constraints and with masses that differ by more than a factor of %g. This means that there are likely dynamic modes that are only very weakly coupled.",
1540                 massFactorThreshold);
1541         char buf[STRLEN];
1542         if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1543         {
1544             sprintf(buf, "%s To ensure good equipartitioning, you need to either not use constraints on all bonds (but, if possible, only on bonds involving hydrogens) or use integrator = %s or decrease one or more tolerances: verlet-buffer-tolerance <= %g, LINCS iterations >= %d, LINCS order >= %d or SHAKE tolerance <= %g",
1545                     modeMessage,
1546                     ei_names[eiSD1],
1547                     bufferToleranceThreshold,
1548                     lincsIterationThreshold, lincsOrderThreshold,
1549                     shakeToleranceThreshold);
1550         }
1551         else
1552         {
1553             sprintf(buf, "%s To ensure good equipartitioning, we suggest to switch to the %s cutoff-scheme, since that allows for better control over the Verlet buffer size and thus over the energy drift.",
1554                     modeMessage,
1555                     ecutscheme_names[ecutsVERLET]);
1556         }
1557         warning(wi, buf);
1558     }
1559 }
1560
1561 static void set_verlet_buffer(const gmx_mtop_t *mtop,
1562                               t_inputrec       *ir,
1563                               real              buffer_temp,
1564                               matrix            box,
1565                               warninp_t         wi)
1566 {
1567     real                   rlist_1x1;
1568     int                    n_nonlin_vsite;
1569     char                   warn_buf[STRLEN];
1570
1571     printf("Determining Verlet buffer for a tolerance of %g kJ/mol/ps at %g K\n", ir->verletbuf_tol, buffer_temp);
1572
1573     /* Calculate the buffer size for simple atom vs atoms list */
1574     VerletbufListSetup listSetup1x1;
1575     listSetup1x1.cluster_size_i = 1;
1576     listSetup1x1.cluster_size_j = 1;
1577     calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1,
1578                             buffer_temp, &listSetup1x1,
1579                             &n_nonlin_vsite, &rlist_1x1);
1580
1581     /* Set the pair-list buffer size in ir */
1582     VerletbufListSetup listSetup4x4 =
1583         verletbufGetSafeListSetup(ListSetupType::CpuNoSimd);
1584     calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1,
1585                             buffer_temp, &listSetup4x4,
1586                             &n_nonlin_vsite, &ir->rlist);
1587
1588     if (n_nonlin_vsite > 0)
1589     {
1590         sprintf(warn_buf, "There are %d non-linear virtual site constructions. Their contribution to the energy error is approximated. In most cases this does not affect the error significantly.", n_nonlin_vsite);
1591         warning_note(wi, warn_buf);
1592     }
1593
1594     printf("Calculated rlist for %dx%d atom pair-list as %.3f nm, buffer size %.3f nm\n",
1595            1, 1, rlist_1x1, rlist_1x1-std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb));
1596
1597     printf("Set rlist, assuming %dx%d atom pair-list, to %.3f nm, buffer size %.3f nm\n",
1598            listSetup4x4.cluster_size_i, listSetup4x4.cluster_size_j,
1599            ir->rlist, ir->rlist-std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb));
1600
1601     printf("Note that mdrun will redetermine rlist based on the actual pair-list setup\n");
1602
1603     if (gmx::square(ir->rlist) >= max_cutoff2(ir->ePBC, box))
1604     {
1605         gmx_fatal(FARGS, "The pair-list cut-off (%g nm) is longer than half the shortest box vector or longer than the smallest box diagonal element (%g nm). Increase the box size or decrease nstlist or increase verlet-buffer-tolerance.", ir->rlist, std::sqrt(max_cutoff2(ir->ePBC, box)));
1606     }
1607 }
1608
1609 int gmx_grompp(int argc, char *argv[])
1610 {
1611     const char        *desc[] = {
1612         "[THISMODULE] (the gromacs preprocessor)",
1613         "reads a molecular topology file, checks the validity of the",
1614         "file, expands the topology from a molecular description to an atomic",
1615         "description. The topology file contains information about",
1616         "molecule types and the number of molecules, the preprocessor",
1617         "copies each molecule as needed. ",
1618         "There is no limitation on the number of molecule types. ",
1619         "Bonds and bond-angles can be converted into constraints, separately",
1620         "for hydrogens and heavy atoms.",
1621         "Then a coordinate file is read and velocities can be generated",
1622         "from a Maxwellian distribution if requested.",
1623         "[THISMODULE] also reads parameters for [gmx-mdrun] ",
1624         "(eg. number of MD steps, time step, cut-off), and others such as",
1625         "NEMD parameters, which are corrected so that the net acceleration",
1626         "is zero.",
1627         "Eventually a binary file is produced that can serve as the sole input",
1628         "file for the MD program.[PAR]",
1629
1630         "[THISMODULE] uses the atom names from the topology file. The atom names",
1631         "in the coordinate file (option [TT]-c[tt]) are only read to generate",
1632         "warnings when they do not match the atom names in the topology.",
1633         "Note that the atom names are irrelevant for the simulation as",
1634         "only the atom types are used for generating interaction parameters.[PAR]",
1635
1636         "[THISMODULE] uses a built-in preprocessor to resolve includes, macros, ",
1637         "etc. The preprocessor supports the following keywords::",
1638         "",
1639         "    #ifdef VARIABLE",
1640         "    #ifndef VARIABLE",
1641         "    #else",
1642         "    #endif",
1643         "    #define VARIABLE",
1644         "    #undef VARIABLE",
1645         "    #include \"filename\"",
1646         "    #include <filename>",
1647         "",
1648         "The functioning of these statements in your topology may be modulated by",
1649         "using the following two flags in your [REF].mdp[ref] file::",
1650         "",
1651         "    define = -DVARIABLE1 -DVARIABLE2",
1652         "    include = -I/home/john/doe",
1653         "",
1654         "For further information a C-programming textbook may help you out.",
1655         "Specifying the [TT]-pp[tt] flag will get the pre-processed",
1656         "topology file written out so that you can verify its contents.[PAR]",
1657
1658         "When using position restraints, a file with restraint coordinates",
1659         "must be supplied with [TT]-r[tt] (can be the same file as supplied",
1660         "for [TT]-c[tt]). For free energy calculations, separate reference",
1661         "coordinates for the B topology can be supplied with [TT]-rb[tt],",
1662         "otherwise they will be equal to those of the A topology.[PAR]",
1663
1664         "Starting coordinates can be read from trajectory with [TT]-t[tt].",
1665         "The last frame with coordinates and velocities will be read,",
1666         "unless the [TT]-time[tt] option is used. Only if this information",
1667         "is absent will the coordinates in the [TT]-c[tt] file be used.",
1668         "Note that these velocities will not be used when [TT]gen_vel = yes[tt]",
1669         "in your [REF].mdp[ref] file. An energy file can be supplied with",
1670         "[TT]-e[tt] to read Nose-Hoover and/or Parrinello-Rahman coupling",
1671         "variables.[PAR]",
1672
1673         "[THISMODULE] can be used to restart simulations (preserving",
1674         "continuity) by supplying just a checkpoint file with [TT]-t[tt].",
1675         "However, for simply changing the number of run steps to extend",
1676         "a run, using [gmx-convert-tpr] is more convenient than [THISMODULE].",
1677         "You then supply the old checkpoint file directly to [gmx-mdrun]",
1678         "with [TT]-cpi[tt]. If you wish to change the ensemble or things",
1679         "like output frequency, then supplying the checkpoint file to",
1680         "[THISMODULE] with [TT]-t[tt] along with a new [REF].mdp[ref] file",
1681         "with [TT]-f[tt] is the recommended procedure. Actually preserving",
1682         "the ensemble (if possible) still requires passing the checkpoint",
1683         "file to [gmx-mdrun] [TT]-cpi[tt].[PAR]",
1684
1685         "By default, all bonded interactions which have constant energy due to",
1686         "virtual site constructions will be removed. If this constant energy is",
1687         "not zero, this will result in a shift in the total energy. All bonded",
1688         "interactions can be kept by turning off [TT]-rmvsbds[tt]. Additionally,",
1689         "all constraints for distances which will be constant anyway because",
1690         "of virtual site constructions will be removed. If any constraints remain",
1691         "which involve virtual sites, a fatal error will result.[PAR]"
1692
1693         "To verify your run input file, please take note of all warnings",
1694         "on the screen, and correct where necessary. Do also look at the contents",
1695         "of the [TT]mdout.mdp[tt] file; this contains comment lines, as well as",
1696         "the input that [THISMODULE] has read. If in doubt, you can start [THISMODULE]",
1697         "with the [TT]-debug[tt] option which will give you more information",
1698         "in a file called [TT]grompp.log[tt] (along with real debug info). You",
1699         "can see the contents of the run input file with the [gmx-dump]",
1700         "program. [gmx-check] can be used to compare the contents of two",
1701         "run input files.[PAR]"
1702
1703         "The [TT]-maxwarn[tt] option can be used to override warnings printed",
1704         "by [THISMODULE] that otherwise halt output. In some cases, warnings are",
1705         "harmless, but usually they are not. The user is advised to carefully",
1706         "interpret the output messages before attempting to bypass them with",
1707         "this option."
1708     };
1709     t_gromppopts      *opts;
1710     gmx_mtop_t        *sys;
1711     int                nmi;
1712     t_molinfo         *mi, *intermolecular_interactions;
1713     gpp_atomtype_t     atype;
1714     int                nvsite, comb, mt;
1715     t_params          *plist;
1716     real               fudgeQQ;
1717     double             reppow;
1718     const char        *mdparin;
1719     int                ntype;
1720     gmx_bool           bNeedVel, bGenVel;
1721     gmx_bool           have_atomnumber;
1722     gmx_output_env_t  *oenv;
1723     gmx_bool           bVerbose = FALSE;
1724     warninp_t          wi;
1725     char               warn_buf[STRLEN];
1726
1727     t_filenm           fnm[] = {
1728         { efMDP, nullptr,  nullptr,        ffREAD  },
1729         { efMDP, "-po", "mdout",     ffWRITE },
1730         { efSTX, "-c",  nullptr,        ffREAD  },
1731         { efSTX, "-r",  "restraint", ffOPTRD },
1732         { efSTX, "-rb", "restraint", ffOPTRD },
1733         { efNDX, nullptr,  nullptr,        ffOPTRD },
1734         { efTOP, nullptr,  nullptr,        ffREAD  },
1735         { efTOP, "-pp", "processed", ffOPTWR },
1736         { efTPR, "-o",  nullptr,        ffWRITE },
1737         { efTRN, "-t",  nullptr,        ffOPTRD },
1738         { efEDR, "-e",  nullptr,        ffOPTRD },
1739         /* This group is needed by the VMD viewer as the start configuration for IMD sessions: */
1740         { efGRO, "-imd", "imdgroup", ffOPTWR },
1741         { efTRN, "-ref", "rotref",   ffOPTRW }
1742     };
1743 #define NFILE asize(fnm)
1744
1745     /* Command line options */
1746     gmx_bool        bRenum   = TRUE;
1747     gmx_bool        bRmVSBds = TRUE, bZero = FALSE;
1748     int             i, maxwarn = 0;
1749     real            fr_time = -1;
1750     t_pargs         pa[]    = {
1751         { "-v",       FALSE, etBOOL, {&bVerbose},
1752           "Be loud and noisy" },
1753         { "-time",    FALSE, etREAL, {&fr_time},
1754           "Take frame at or first after this time." },
1755         { "-rmvsbds", FALSE, etBOOL, {&bRmVSBds},
1756           "Remove constant bonded interactions with virtual sites" },
1757         { "-maxwarn", FALSE, etINT,  {&maxwarn},
1758           "Number of allowed warnings during input processing. Not for normal use and may generate unstable systems" },
1759         { "-zero",    FALSE, etBOOL, {&bZero},
1760           "Set parameters for bonded interactions without defaults to zero instead of generating an error" },
1761         { "-renum",   FALSE, etBOOL, {&bRenum},
1762           "Renumber atomtypes and minimize number of atomtypes" }
1763     };
1764
1765     /* Parse the command line */
1766     if (!parse_common_args(&argc, argv, 0, NFILE, fnm, asize(pa), pa,
1767                            asize(desc), desc, 0, nullptr, &oenv))
1768     {
1769         return 0;
1770     }
1771
1772     /* Initiate some variables */
1773     gmx::MDModules mdModules;
1774     t_inputrec     irInstance;
1775     t_inputrec    *ir = &irInstance;
1776     snew(opts, 1);
1777     snew(opts->include, STRLEN);
1778     snew(opts->define, STRLEN);
1779
1780     wi = init_warning(TRUE, maxwarn);
1781
1782     /* PARAMETER file processing */
1783     mdparin = opt2fn("-f", NFILE, fnm);
1784     set_warning_line(wi, mdparin, -1);
1785     try
1786     {
1787         get_ir(mdparin, opt2fn("-po", NFILE, fnm), &mdModules, ir, opts, WriteMdpHeader::yes, wi);
1788     }
1789     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1790
1791     if (bVerbose)
1792     {
1793         fprintf(stderr, "checking input for internal consistency...\n");
1794     }
1795     check_ir(mdparin, ir, opts, wi);
1796
1797     if (ir->ld_seed == -1)
1798     {
1799         ir->ld_seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
1800         fprintf(stderr, "Setting the LD random seed to %" GMX_PRId64 "\n", ir->ld_seed);
1801     }
1802
1803     if (ir->expandedvals->lmc_seed == -1)
1804     {
1805         ir->expandedvals->lmc_seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
1806         fprintf(stderr, "Setting the lambda MC random seed to %d\n", ir->expandedvals->lmc_seed);
1807     }
1808
1809     bNeedVel = EI_STATE_VELOCITY(ir->eI);
1810     bGenVel  = (bNeedVel && opts->bGenVel);
1811     if (bGenVel && ir->bContinuation)
1812     {
1813         sprintf(warn_buf,
1814                 "Generating velocities is inconsistent with attempting "
1815                 "to continue a previous run. Choose only one of "
1816                 "gen-vel = yes and continuation = yes.");
1817         warning_error(wi, warn_buf);
1818     }
1819
1820     snew(plist, F_NRE);
1821     init_plist(plist);
1822     snew(sys, 1);
1823     atype = init_atomtype();
1824     if (debug)
1825     {
1826         pr_symtab(debug, 0, "Just opened", &sys->symtab);
1827     }
1828
1829     const char *fn = ftp2fn(efTOP, NFILE, fnm);
1830     if (!gmx_fexist(fn))
1831     {
1832         gmx_fatal(FARGS, "%s does not exist", fn);
1833     }
1834
1835     t_state state;
1836     new_status(fn, opt2fn_null("-pp", NFILE, fnm), opt2fn("-c", NFILE, fnm),
1837                opts, ir, bZero, bGenVel, bVerbose, &state,
1838                atype, sys, &nmi, &mi, &intermolecular_interactions,
1839                plist, &comb, &reppow, &fudgeQQ,
1840                opts->bMorse,
1841                wi);
1842
1843     if (debug)
1844     {
1845         pr_symtab(debug, 0, "After new_status", &sys->symtab);
1846     }
1847
1848     nvsite = 0;
1849     /* set parameters for virtual site construction (not for vsiten) */
1850     for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
1851     {
1852         nvsite +=
1853             set_vsites(bVerbose, &sys->moltype[mt].atoms, atype, mi[mt].plist);
1854     }
1855     /* now throw away all obsolete bonds, angles and dihedrals: */
1856     /* note: constraints are ALWAYS removed */
1857     if (nvsite)
1858     {
1859         for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
1860         {
1861             clean_vsite_bondeds(mi[mt].plist, sys->moltype[mt].atoms.nr, bRmVSBds);
1862         }
1863     }
1864
1865     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1866     {
1867         fprintf(stderr, "Removing all charge groups because cutoff-scheme=%s\n",
1868                 ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
1869
1870         /* Remove all charge groups */
1871         gmx_mtop_remove_chargegroups(sys);
1872     }
1873
1874     if (count_constraints(sys, mi, wi) && (ir->eConstrAlg == econtSHAKE))
1875     {
1876         if (ir->eI == eiCG || ir->eI == eiLBFGS)
1877         {
1878             sprintf(warn_buf, "Can not do %s with %s, use %s",
1879                     EI(ir->eI), econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
1880             warning_error(wi, warn_buf);
1881         }
1882         if (ir->bPeriodicMols)
1883         {
1884             sprintf(warn_buf, "Can not do periodic molecules with %s, use %s",
1885                     econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
1886             warning_error(wi, warn_buf);
1887         }
1888     }
1889
1890     if (EI_SD (ir->eI) &&  ir->etc != etcNO)
1891     {
1892         warning_note(wi, "Temperature coupling is ignored with SD integrators.");
1893     }
1894
1895     /* If we are doing QM/MM, check that we got the atom numbers */
1896     have_atomnumber = TRUE;
1897     for (i = 0; i < get_atomtype_ntypes(atype); i++)
1898     {
1899         have_atomnumber = have_atomnumber && (get_atomtype_atomnumber(i, atype) >= 0);
1900     }
1901     if (!have_atomnumber && ir->bQMMM)
1902     {
1903         warning_error(wi,
1904                       "\n"
1905                       "It appears as if you are trying to run a QM/MM calculation, but the force\n"
1906                       "field you are using does not contain atom numbers fields. This is an\n"
1907                       "optional field (introduced in GROMACS 3.3) for general runs, but mandatory\n"
1908                       "for QM/MM. The good news is that it is easy to add - put the atom number as\n"
1909                       "an integer just before the mass column in ffXXXnb.itp.\n"
1910                       "NB: United atoms have the same atom numbers as normal ones.\n\n");
1911     }
1912
1913     /* Check for errors in the input now, since they might cause problems
1914      * during processing further down.
1915      */
1916     check_warning_error(wi, FARGS);
1917
1918     if (nint_ftype(sys, mi, F_POSRES) > 0 ||
1919         nint_ftype(sys, mi, F_FBPOSRES) > 0)
1920     {
1921         if (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN || ir->epc == epcMTTK)
1922         {
1923             sprintf(warn_buf, "You are combining position restraints with %s pressure coupling, which can lead to instabilities. If you really want to combine position restraints with pressure coupling, we suggest to use %s pressure coupling instead.",
1924                     EPCOUPLTYPE(ir->epc), EPCOUPLTYPE(epcBERENDSEN));
1925             warning_note(wi, warn_buf);
1926         }
1927
1928         const char *fn = opt2fn("-r", NFILE, fnm);
1929         const char *fnB;
1930
1931         if (!gmx_fexist(fn))
1932         {
1933             gmx_fatal(FARGS,
1934                       "Cannot find position restraint file %s (option -r).\n"
1935                       "From GROMACS-2018, you need to specify the position restraint "
1936                       "coordinate files explicitly to avoid mistakes, although you can "
1937                       "still use the same file as you specify for the -c option.", fn);
1938         }
1939
1940         if (opt2bSet("-rb", NFILE, fnm))
1941         {
1942             fnB = opt2fn("-rb", NFILE, fnm);
1943             if (!gmx_fexist(fnB))
1944             {
1945                 gmx_fatal(FARGS,
1946                           "Cannot find B-state position restraint file %s (option -rb).\n"
1947                           "From GROMACS-2018, you need to specify the position restraint "
1948                           "coordinate files explicitly to avoid mistakes, although you can "
1949                           "still use the same file as you specify for the -c option.", fn);
1950             }
1951         }
1952         else
1953         {
1954             fnB = fn;
1955         }
1956
1957         if (bVerbose)
1958         {
1959             fprintf(stderr, "Reading position restraint coords from %s", fn);
1960             if (strcmp(fn, fnB) == 0)
1961             {
1962                 fprintf(stderr, "\n");
1963             }
1964             else
1965             {
1966                 fprintf(stderr, " and %s\n", fnB);
1967             }
1968         }
1969         gen_posres(sys, mi, fn, fnB,
1970                    ir->refcoord_scaling, ir->ePBC,
1971                    ir->posres_com, ir->posres_comB,
1972                    wi);
1973     }
1974
1975     /* If we are using CMAP, setup the pre-interpolation grid */
1976     if (plist[F_CMAP].ncmap > 0)
1977     {
1978         init_cmap_grid(&sys->ffparams.cmap_grid, plist[F_CMAP].nc, plist[F_CMAP].grid_spacing);
1979         setup_cmap(plist[F_CMAP].grid_spacing, plist[F_CMAP].nc, plist[F_CMAP].cmap, &sys->ffparams.cmap_grid);
1980     }
1981
1982     set_wall_atomtype(atype, opts, ir, wi);
1983     if (bRenum)
1984     {
1985         renum_atype(plist, sys, ir->wall_atomtype, atype, bVerbose);
1986         get_atomtype_ntypes(atype);
1987     }
1988
1989     if (ir->implicit_solvent)
1990     {
1991         gmx_fatal(FARGS, "Implicit solvation is no longer supported");
1992     }
1993
1994     /* PELA: Copy the atomtype data to the topology atomtype list */
1995     copy_atomtype_atomtypes(atype, &(sys->atomtypes));
1996
1997     if (debug)
1998     {
1999         pr_symtab(debug, 0, "After renum_atype", &sys->symtab);
2000     }
2001
2002     if (bVerbose)
2003     {
2004         fprintf(stderr, "converting bonded parameters...\n");
2005     }
2006
2007     ntype = get_atomtype_ntypes(atype);
2008     convert_params(ntype, plist, mi, intermolecular_interactions,
2009                    comb, reppow, fudgeQQ, sys);
2010
2011     if (debug)
2012     {
2013         pr_symtab(debug, 0, "After convert_params", &sys->symtab);
2014     }
2015
2016     /* set ptype to VSite for virtual sites */
2017     for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
2018     {
2019         set_vsites_ptype(FALSE, &sys->moltype[mt]);
2020     }
2021     if (debug)
2022     {
2023         pr_symtab(debug, 0, "After virtual sites", &sys->symtab);
2024     }
2025     /* Check velocity for virtual sites and shells */
2026     if (bGenVel)
2027     {
2028         check_vel(sys, as_rvec_array(state.v.data()));
2029     }
2030
2031     /* check for shells and inpurecs */
2032     check_shells_inputrec(sys, ir, wi);
2033
2034     /* check masses */
2035     check_mol(sys, wi);
2036
2037     checkForUnboundAtoms(sys, bVerbose, wi);
2038
2039     for (i = 0; i < sys->nmoltype; i++)
2040     {
2041         check_cg_sizes(ftp2fn(efTOP, NFILE, fnm), &sys->moltype[i].cgs, wi);
2042     }
2043
2044     if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && ir->eI != eiBD)
2045     {
2046         check_bonds_timestep(sys, ir->delta_t, wi);
2047     }
2048
2049     checkDecoupledModeAccuracy(sys, ir, wi);
2050
2051     if (EI_ENERGY_MINIMIZATION(ir->eI) && 0 == ir->nsteps)
2052     {
2053         warning_note(wi, "Zero-step energy minimization will alter the coordinates before calculating the energy. If you just want the energy of a single point, try zero-step MD (with unconstrained_start = yes). To do multiple single-point energy evaluations of different configurations of the same topology, use mdrun -rerun.");
2054     }
2055
2056     check_warning_error(wi, FARGS);
2057
2058     if (bVerbose)
2059     {
2060         fprintf(stderr, "initialising group options...\n");
2061     }
2062     do_index(mdparin, ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm),
2063              sys, bVerbose, ir,
2064              wi);
2065
2066     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET && ir->verletbuf_tol > 0)
2067     {
2068         if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && inputrec2nboundeddim(ir) == 3)
2069         {
2070             real buffer_temp;
2071
2072             if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO)
2073             {
2074                 if (bGenVel)
2075                 {
2076                     buffer_temp = opts->tempi;
2077                 }
2078                 else
2079                 {
2080                     buffer_temp = calc_temp(sys, ir, as_rvec_array(state.v.data()));
2081                 }
2082                 if (buffer_temp > 0)
2083                 {
2084                     sprintf(warn_buf, "NVE simulation: will use the initial temperature of %.3f K for determining the Verlet buffer size", buffer_temp);
2085                     warning_note(wi, warn_buf);
2086                 }
2087                 else
2088                 {
2089                     sprintf(warn_buf, "NVE simulation with an initial temperature of zero: will use a Verlet buffer of %d%%. Check your energy drift!",
2090                             (int)(verlet_buffer_ratio_NVE_T0*100 + 0.5));
2091                     warning_note(wi, warn_buf);
2092                 }
2093             }
2094             else
2095             {
2096                 buffer_temp = get_max_reference_temp(ir, wi);
2097             }
2098
2099             if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO && buffer_temp == 0)
2100             {
2101                 /* NVE with initial T=0: we add a fixed ratio to rlist.
2102                  * Since we don't actually use verletbuf_tol, we set it to -1
2103                  * so it can't be misused later.
2104                  */
2105                 ir->rlist         *= 1.0 + verlet_buffer_ratio_NVE_T0;
2106                 ir->verletbuf_tol  = -1;
2107             }
2108             else
2109             {
2110                 /* We warn for NVE simulations with a drift tolerance that
2111                  * might result in a 1(.1)% drift over the total run-time.
2112                  * Note that we can't warn when nsteps=0, since we don't
2113                  * know how many steps the user intends to run.
2114                  */
2115                 if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO && ir->nstlist > 1 &&
2116                     ir->nsteps > 0)
2117                 {
2118                     const real driftTolerance = 0.01;
2119                     /* We use 2 DOF per atom = 2kT pot+kin energy,
2120                      * to be on the safe side with constraints.
2121                      */
2122                     const real totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond = 2*BOLTZ*buffer_temp/(ir->nsteps*ir->delta_t);
2123
2124                     if (ir->verletbuf_tol > 1.1*driftTolerance*totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond)
2125                     {
2126                         sprintf(warn_buf, "You are using a Verlet buffer tolerance of %g kJ/mol/ps for an NVE simulation of length %g ps, which can give a final drift of %d%%. For conserving energy to %d%% when using constraints, you might need to set verlet-buffer-tolerance to %.1e.",
2127                                 ir->verletbuf_tol, ir->nsteps*ir->delta_t,
2128                                 (int)(ir->verletbuf_tol/totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond*100 + 0.5),
2129                                 (int)(100*driftTolerance + 0.5),
2130                                 driftTolerance*totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond);
2131                         warning_note(wi, warn_buf);
2132                     }
2133                 }
2134
2135                 set_verlet_buffer(sys, ir, buffer_temp, state.box, wi);
2136             }
2137         }
2138     }
2139
2140     /* Init the temperature coupling state */
2141     init_gtc_state(&state, ir->opts.ngtc, 0, ir->opts.nhchainlength); /* need to add nnhpres here? */
2142
2143     if (bVerbose)
2144     {
2145         fprintf(stderr, "Checking consistency between energy and charge groups...\n");
2146     }
2147     check_eg_vs_cg(sys);
2148
2149     if (debug)
2150     {
2151         pr_symtab(debug, 0, "After index", &sys->symtab);
2152     }
2153
2154     triple_check(mdparin, ir, sys, wi);
2155     close_symtab(&sys->symtab);
2156     if (debug)
2157     {
2158         pr_symtab(debug, 0, "After close", &sys->symtab);
2159     }
2160
2161     /* make exclusions between QM atoms */
2162     if (ir->bQMMM)
2163     {
2164         if (ir->QMMMscheme == eQMMMschemenormal && ir->ns_type == ensSIMPLE)
2165         {
2166             gmx_fatal(FARGS, "electrostatic embedding only works with grid neighboursearching, use ns-type=grid instead\n");
2167         }
2168         else
2169         {
2170             generate_qmexcl(sys, ir, wi);
2171         }
2172     }
2173
2174     if (ftp2bSet(efTRN, NFILE, fnm))
2175     {
2176         if (bVerbose)
2177         {
2178             fprintf(stderr, "getting data from old trajectory ...\n");
2179         }
2180         cont_status(ftp2fn(efTRN, NFILE, fnm), ftp2fn_null(efEDR, NFILE, fnm),
2181                     bNeedVel, bGenVel, fr_time, ir, &state, sys, oenv);
2182     }
2183
2184     if (ir->ePBC == epbcXY && ir->nwall != 2)
2185     {
2186         clear_rvec(state.box[ZZ]);
2187     }
2188
2189     if (ir->cutoff_scheme != ecutsVERLET && ir->rlist > 0)
2190     {
2191         set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2192         check_chargegroup_radii(sys, ir, as_rvec_array(state.x.data()), wi);
2193     }
2194
2195     if (EEL_FULL(ir->coulombtype) || EVDW_PME(ir->vdwtype))
2196     {
2197         /* Calculate the optimal grid dimensions */
2198         matrix          scaledBox;
2199         EwaldBoxZScaler boxScaler(*ir);
2200         boxScaler.scaleBox(state.box, scaledBox);
2201
2202         if (ir->nkx > 0 && ir->nky > 0 && ir->nkz > 0)
2203         {
2204             /* Mark fourier_spacing as not used */
2205             ir->fourier_spacing = 0;
2206         }
2207         else if (ir->nkx != 0 && ir->nky != 0 && ir->nkz != 0)
2208         {
2209             set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2210             warning_error(wi, "Some of the Fourier grid sizes are set, but all of them need to be set.");
2211         }
2212         const int minGridSize = minimalPmeGridSize(ir->pme_order);
2213         calcFftGrid(stdout, scaledBox, ir->fourier_spacing, minGridSize,
2214                     &(ir->nkx), &(ir->nky), &(ir->nkz));
2215         if (ir->nkx < minGridSize ||
2216             ir->nky < minGridSize ||
2217             ir->nkz < minGridSize)
2218         {
2219             warning_error(wi, "The PME grid size should be >= 2*(pme-order - 1); either manually increase the grid size or decrease pme-order");
2220         }
2221     }
2222
2223     /* MRS: eventually figure out better logic for initializing the fep
2224        values that makes declaring the lambda and declaring the state not
2225        potentially conflict if not handled correctly. */
2226     if (ir->efep != efepNO)
2227     {
2228         state.fep_state = ir->fepvals->init_fep_state;
2229         for (i = 0; i < efptNR; i++)
2230         {
2231             /* init_lambda trumps state definitions*/
2232             if (ir->fepvals->init_lambda >= 0)
2233             {
2234                 state.lambda[i] = ir->fepvals->init_lambda;
2235             }
2236             else
2237             {
2238                 if (ir->fepvals->all_lambda[i] == nullptr)
2239                 {
2240                     gmx_fatal(FARGS, "Values of lambda not set for a free energy calculation!");
2241                 }
2242                 else
2243                 {
2244                     state.lambda[i] = ir->fepvals->all_lambda[i][state.fep_state];
2245                 }
2246             }
2247         }
2248     }
2249
2250     struct pull_t *pull = nullptr;
2251
2252     if (ir->bPull)
2253     {
2254         pull = set_pull_init(ir, sys, as_rvec_array(state.x.data()), state.box, state.lambda[efptMASS], oenv);
2255     }
2256
2257     /* Modules that supply external potential for pull coordinates
2258      * should register those potentials here. finish_pull() will check
2259      * that providers have been registerd for all external potentials.
2260      */
2261
2262     if (ir->bDoAwh)
2263     {
2264         setStateDependentAwhParams(ir->awhParams, ir->pull, pull,
2265                                    state.box, ir->ePBC, &ir->opts, wi);
2266     }
2267
2268     if (ir->bPull)
2269     {
2270         finish_pull(pull);
2271     }
2272
2273     if (ir->bRot)
2274     {
2275         set_reference_positions(ir->rot, as_rvec_array(state.x.data()), state.box,
2276                                 opt2fn("-ref", NFILE, fnm), opt2bSet("-ref", NFILE, fnm),
2277                                 wi);
2278     }
2279
2280     /*  reset_multinr(sys); */
2281
2282     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2283     {
2284         float ratio = pme_load_estimate(sys, ir, state.box);
2285         fprintf(stderr, "Estimate for the relative computational load of the PME mesh part: %.2f\n", ratio);
2286         /* With free energy we might need to do PME both for the A and B state
2287          * charges. This will double the cost, but the optimal performance will
2288          * then probably be at a slightly larger cut-off and grid spacing.
2289          */
2290         if ((ir->efep == efepNO && ratio > 1.0/2.0) ||
2291             (ir->efep != efepNO && ratio > 2.0/3.0))
2292         {
2293             warning_note(wi,
2294                          "The optimal PME mesh load for parallel simulations is below 0.5\n"
2295                          "and for highly parallel simulations between 0.25 and 0.33,\n"
2296                          "for higher performance, increase the cut-off and the PME grid spacing.\n");
2297             if (ir->efep != efepNO)
2298             {
2299                 warning_note(wi,
2300                              "For free energy simulations, the optimal load limit increases from 0.5 to 0.667\n");
2301             }
2302         }
2303     }
2304
2305     {
2306         char   warn_buf[STRLEN];
2307         double cio = compute_io(ir, sys->natoms, &sys->groups, F_NRE, 1);
2308         sprintf(warn_buf, "This run will generate roughly %.0f Mb of data", cio);
2309         if (cio > 2000)
2310         {
2311             set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2312             warning_note(wi, warn_buf);
2313         }
2314         else
2315         {
2316             printf("%s\n", warn_buf);
2317         }
2318     }
2319
2320     if (bVerbose)
2321     {
2322         fprintf(stderr, "writing run input file...\n");
2323     }
2324
2325     done_warning(wi, FARGS);
2326     write_tpx_state(ftp2fn(efTPR, NFILE, fnm), ir, &state, sys);
2327
2328     /* Output IMD group, if bIMD is TRUE */
2329     write_IMDgroup_to_file(ir->bIMD, ir, &state, sys, NFILE, fnm);
2330
2331     done_atomtype(atype);
2332     done_mtop(sys);
2333     done_inputrec_strings();
2334
2335     return 0;
2336 }