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(order);
 483     sfree(*molinfo);
 484
 485     *nmolinfo = norder;
 486     *molinfo  = minew;
 487 }
 488
 489 static void molinfo2mtop(int nmi, t_molinfo *mi, gmx_mtop_t *mtop)
 490 {
 491     int            m;
 492     gmx_moltype_t *molt;
 493
 494     mtop->nmoltype = nmi;
 495     snew(mtop->moltype, nmi);
 496     for (m = 0; m < nmi; m++)
 497     {
 498         molt        = &mtop->moltype[m];
 499         molt->name  = mi[m].name;
 500         molt->atoms = mi[m].atoms;
 501         /* ilists are copied later */
 502         molt->cgs   = mi[m].cgs;
 503         molt->excls = mi[m].excls;
 504     }
 505 }
 506
 507 static void
 508 new_status(const char *topfile, const char *topppfile, const char *confin,
 509            t_gromppopts *opts, t_inputrec *ir, gmx_bool bZero,
 510            gmx_bool bGenVel, gmx_bool bVerbose, t_state *state,
 511            gpp_atomtype_t atype, gmx_mtop_t *sys,
 512            int *nmi, t_molinfo **mi, t_molinfo **intermolecular_interactions,
 513            t_params plist[],
 514            int *comb, double *reppow, real *fudgeQQ,
 515            gmx_bool bMorse,
 516            warninp_t wi)
 517 {
 518     t_molinfo      *molinfo = nullptr;
 519     int             nmolblock;
 520     gmx_molblock_t *molblock, *molbs;
 521     int             mb, i, nrmols, nmismatch;
 522     char            buf[STRLEN];
 523     char            warn_buf[STRLEN];
 524
 525     init_mtop(sys);
 526
 527     /* TOPOLOGY processing */
 528     sys->name = do_top(bVerbose, topfile, topppfile, opts, bZero, &(sys->symtab),
 529                        plist, comb, reppow, fudgeQQ,
 530                        atype, &nrmols, &molinfo, intermolecular_interactions,
 531                        ir,
 532                        &nmolblock, &molblock,
 533                        wi);
 534
 535     sys->nmolblock = 0;
 536     snew(sys->molblock, nmolblock);
 537
 538     sys->natoms = 0;
 539     for (mb = 0; mb < nmolblock; mb++)
 540     {
 541         if (sys->nmolblock > 0 &&
 542             molblock[mb].type == sys->molblock[sys->nmolblock-1].type)
 543         {
 544             /* Merge consecutive blocks with the same molecule type */
 545             sys->molblock[sys->nmolblock-1].nmol += molblock[mb].nmol;
 546             sys->natoms += molblock[mb].nmol*sys->molblock[sys->nmolblock-1].natoms_mol;
 547         }
 548         else if (molblock[mb].nmol > 0)
 549         {
 550             /* Add a new molblock to the topology */
 551             molbs             = &sys->molblock[sys->nmolblock];
 552             *molbs            = molblock[mb];
 553             molbs->natoms_mol = molinfo[molbs->type].atoms.nr;
 554             molbs->nposres_xA = 0;
 555             molbs->nposres_xB = 0;
 556             sys->natoms      += molbs->nmol*molbs->natoms_mol;
 557             sys->nmolblock++;
 558         }
 559     }
 560     if (sys->nmolblock == 0)
 561     {
 562         gmx_fatal(FARGS, "No molecules were defined in the system");
 563     }
 564
 565     renumber_moltypes(sys, &nrmols, &molinfo);
 566
 567     if (bMorse)
 568     {
 569         convert_harmonics(nrmols, molinfo, atype);
 570     }
 571
 572     if (ir->eDisre == edrNone)
 573     {
 574         i = rm_interactions(F_DISRES, nrmols, molinfo);
 575         if (i > 0)
 576         {
 577             set_warning_line(wi, "unknown", -1);
 578             sprintf(warn_buf, "disre = no, removed %d distance restraints", i);
 579             warning_note(wi, warn_buf);
 580         }
 581     }
 582     if (opts->bOrire == FALSE)
 583     {
 584         i = rm_interactions(F_ORIRES, nrmols, molinfo);
 585         if (i > 0)
 586         {
 587             set_warning_line(wi, "unknown", -1);
 588             sprintf(warn_buf, "orire = no, removed %d orientation restraints", i);
 589             warning_note(wi, warn_buf);
 590         }
 591     }
 592
 593     /* Copy structures from msys to sys */
 594     molinfo2mtop(nrmols, molinfo, sys);
 595
 596     gmx_mtop_finalize(sys);
 597
 598     /* COORDINATE file processing */
 599     if (bVerbose)
 600     {
 601         fprintf(stderr, "processing coordinates...\n");
 602     }
 603
 604     t_topology *conftop;
 605     rvec       *x = nullptr;
 606     rvec       *v = nullptr;
 607     snew(conftop, 1);
 608     read_tps_conf(confin, conftop, nullptr, &x, &v, state->box, FALSE);
 609     state->natoms = conftop->atoms.nr;
 610     if (state->natoms != sys->natoms)
 611     {
 612         gmx_fatal(FARGS, "number of coordinates in coordinate file (%s, %d)\n"
 613                   "             does not match topology (%s, %d)",
 614                   confin, state->natoms, topfile, sys->natoms);
 615     }
 616     /* It would be nice to get rid of the copies below, but we don't know
 617      * a priori if the number of atoms in confin matches what we expect.
 618      */
 619     state->flags |= (1 << estX);
 620     if (v != NULL)
 621     {
 622         state->flags |= (1 << estV);
 623     }
 624     state_change_natoms(state, state->natoms);
 625     for (int i = 0; i < state->natoms; i++)
 626     {
 627         copy_rvec(x[i], state->x[i]);
 628     }
 629     sfree(x);
 630     if (v != nullptr)
 631     {
 632         for (int i = 0; i < state->natoms; i++)
 633         {
 634             copy_rvec(v[i], state->v[i]);
 635         }
 636         sfree(v);
 637     }
 638     /* This call fixes the box shape for runs with pressure scaling */
 639     set_box_rel(ir, state);
 640
 641     nmismatch = check_atom_names(topfile, confin, sys, &conftop->atoms);
 642     done_top(conftop);
 643     sfree(conftop);
 644
 645     if (nmismatch)
 646     {
 647         sprintf(buf, "%d non-matching atom name%s\n"
 648                 "atom names from %s will be used\n"
 649                 "atom names from %s will be ignored\n",
 650                 nmismatch, (nmismatch == 1) ? "" : "s", topfile, confin);
 651         warning(wi, buf);
 652     }
 653
 654     /* If using the group scheme, make sure charge groups are made whole to avoid errors
 655      * in calculating charge group size later on
 656      */
 657     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP && ir->ePBC != epbcNONE)
 658     {
 659         // Need temporary rvec for coordinates
 660         do_pbc_first_mtop(nullptr, ir->ePBC, state->box, sys, as_rvec_array(state->x.data()));
 661     }
 662
 663     /* Do more checks, mostly related to constraints */
 664     if (bVerbose)
 665     {
 666         fprintf(stderr, "double-checking input for internal consistency...\n");
 667     }
 668     {
 669         int bHasNormalConstraints = 0 < (nint_ftype(sys, molinfo, F_CONSTR) +
 670                                          nint_ftype(sys, molinfo, F_CONSTRNC));
 671         int bHasAnyConstraints = bHasNormalConstraints || 0 < nint_ftype(sys, molinfo, F_SETTLE);
 672         double_check(ir, state->box,
 673                      bHasNormalConstraints,
 674                      bHasAnyConstraints,
 675                      wi);
 676     }
 677
 678     if (bGenVel)
 679     {
 680         real                   *mass;
 681         gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
 682         const t_atom           *atom;
 683
 684         snew(mass, state->natoms);
 685         aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(sys);
 686         while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &i, &atom))
 687         {
 688             mass[i] = atom->m;
 689         }
 690
 691         if (opts->seed == -1)
 692         {
 693             opts->seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
 694             fprintf(stderr, "Setting gen_seed to %d\n", opts->seed);
 695         }
 696         state->flags |= (1 << estV);
 697         maxwell_speed(opts->tempi, opts->seed, sys, as_rvec_array(state->v.data()));
 698
 699         stop_cm(stdout, state->natoms, mass, as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(state->v.data()));
 700         sfree(mass);
 701     }
 702
 703     *nmi = nrmols;
 704     *mi  = molinfo;
 705 }
 706
 707 static void copy_state(const char *slog, t_trxframe *fr,
 708                        gmx_bool bReadVel, t_state *state,
 709                        double *use_time)
 710 {
 711     int i;
 712
 713     if (fr->not_ok & FRAME_NOT_OK)
 714     {
 715         gmx_fatal(FARGS, "Can not start from an incomplete frame");
 716     }
 717     if (!fr->bX)
 718     {
 719         gmx_fatal(FARGS, "Did not find a frame with coordinates in file %s",
 720                   slog);
 721     }
 722
 723     for (i = 0; i < state->natoms; i++)
 724     {
 725         copy_rvec(fr->x[i], state->x[i]);
 726     }
 727     if (bReadVel)
 728     {
 729         if (!fr->bV)
 730         {
 731             gmx_incons("Trajecory frame unexpectedly does not contain velocities");
 732         }
 733         for (i = 0; i < state->natoms; i++)
 734         {
 735             copy_rvec(fr->v[i], state->v[i]);
 736         }
 737     }
 738     if (fr->bBox)
 739     {
 740         copy_mat(fr->box, state->box);
 741     }
 742
 743     *use_time = fr->time;
 744 }
 745
 746 static void cont_status(const char *slog, const char *ener,
 747                         gmx_bool bNeedVel, gmx_bool bGenVel, real fr_time,
 748                         t_inputrec *ir, t_state *state,
 749                         gmx_mtop_t *sys,
 750                         const gmx_output_env_t *oenv)
 751 /* If fr_time == -1 read the last frame available which is complete */
 752 {
 753     gmx_bool     bReadVel;
 754     t_trxframe   fr;
 755     t_trxstatus *fp;
 756     int          i;
 757     double       use_time;
 758
 759     bReadVel = (bNeedVel && !bGenVel);
 760
 761     fprintf(stderr,
 762             "Reading Coordinates%s and Box size from old trajectory\n",
 763             bReadVel ? ", Velocities" : "");
 764     if (fr_time == -1)
 765     {
 766         fprintf(stderr, "Will read whole trajectory\n");
 767     }
 768     else
 769     {
 770         fprintf(stderr, "Will read till time %g\n", fr_time);
 771     }
 772     if (!bReadVel)
 773     {
 774         if (bGenVel)
 775         {
 776             fprintf(stderr, "Velocities generated: "
 777                     "ignoring velocities in input trajectory\n");
 778         }
 779         read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X);
 780     }
 781     else
 782     {
 783         read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X | TRX_NEED_V);
 784
 785         if (!fr.bV)
 786         {
 787             fprintf(stderr,
 788                     "\n"
 789                     "WARNING: Did not find a frame with velocities in file %s,\n"
 790                     "         all velocities will be set to zero!\n\n", slog);
 791             for (i = 0; i < sys->natoms; i++)
 792             {
 793                 clear_rvec(state->v[i]);
 794             }
 795             close_trx(fp);
 796             /* Search for a frame without velocities */
 797             bReadVel = FALSE;
 798             read_first_frame(oenv, &fp, slog, &fr, TRX_NEED_X);
 799         }
 800     }
 801
 802     state->natoms = fr.natoms;
 803
 804     if (sys->natoms != state->natoms)
 805     {
 806         gmx_fatal(FARGS, "Number of atoms in Topology "
 807                   "is not the same as in Trajectory");
 808     }
 809     copy_state(slog, &fr, bReadVel, state, &use_time);
 810
 811     /* Find the appropriate frame */
 812     while ((fr_time == -1 || fr.time < fr_time) &&
 813            read_next_frame(oenv, fp, &fr))
 814     {
 815         copy_state(slog, &fr, bReadVel, state, &use_time);
 816     }
 817
 818     close_trx(fp);
 819
 820     /* Set the relative box lengths for preserving the box shape.
 821      * Note that this call can lead to differences in the last bit
 822      * with respect to using gmx convert-tpr to create a [REF].tpx[ref] file.
 823      */
 824     set_box_rel(ir, state);
 825
 826     fprintf(stderr, "Using frame at t = %g ps\n", use_time);
 827     fprintf(stderr, "Starting time for run is %g ps\n", ir->init_t);
 828
 829     if ((ir->epc != epcNO  || ir->etc == etcNOSEHOOVER) && ener)
 830     {
 831         get_enx_state(ener, use_time, &sys->groups, ir, state);
 832         preserve_box_shape(ir, state->box_rel, state->boxv);
 833     }
 834 }
 835
 836 static void read_posres(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *molinfo, gmx_bool bTopB,
 837                         const char *fn,
 838                         int rc_scaling, int ePBC,
 839                         rvec com,
 840                         warninp_t wi)
 841 {
 842     gmx_bool       *hadAtom;
 843     rvec           *x, *v, *xp;
 844     dvec            sum;
 845     double          totmass;
 846     t_topology     *top;
 847     matrix          box, invbox;
 848     int             natoms, npbcdim = 0;
 849     char            warn_buf[STRLEN];
 850     int             a, i, ai, j, k, mb, nat_molb;
 851     gmx_molblock_t *molb;
 852     t_params       *pr, *prfb;
 853     t_atom         *atom;
 854
 855     snew(top, 1);
 856     read_tps_conf(fn, top, nullptr, &x, &v, box, FALSE);
 857     natoms = top->atoms.nr;
 858     done_top(top);
 859     sfree(top);
 860     if (natoms != mtop->natoms)
 861     {
 862         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);
 863         warning(wi, warn_buf);
 864     }
 865
 866     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
 867     clear_rvec(com);
 868     if (rc_scaling != erscNO)
 869     {
 870         copy_mat(box, invbox);
 871         for (j = npbcdim; j < DIM; j++)
 872         {
 873             clear_rvec(invbox[j]);
 874             invbox[j][j] = 1;
 875         }
 876         gmx::invertBoxMatrix(invbox, invbox);
 877     }
 878
 879     /* Copy the reference coordinates to mtop */
 880     clear_dvec(sum);
 881     totmass = 0;
 882     a       = 0;
 883     snew(hadAtom, natoms);
 884     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 885     {
 886         molb     = &mtop->molblock[mb];
 887         nat_molb = molb->nmol*mtop->moltype[molb->type].atoms.nr;
 888         pr       = &(molinfo[molb->type].plist[F_POSRES]);
 889         prfb     = &(molinfo[molb->type].plist[F_FBPOSRES]);
 890         if (pr->nr > 0 || prfb->nr > 0)
 891         {
 892             atom = mtop->moltype[molb->type].atoms.atom;
 893             for (i = 0; (i < pr->nr); i++)
 894             {
 895                 ai = pr->param[i].ai();
 896                 if (ai >= natoms)
 897                 {
 898                     gmx_fatal(FARGS, "Position restraint atom index (%d) in moltype '%s' is larger than number of atoms in %s (%d).\n",
 899                               ai+1, *molinfo[molb->type].name, fn, natoms);
 900                 }
 901                 hadAtom[ai] = TRUE;
 902                 if (rc_scaling == erscCOM)
 903                 {
 904                     /* Determine the center of mass of the posres reference coordinates */
 905                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 906                     {
 907                         sum[j] += atom[ai].m*x[a+ai][j];
 908                     }
 909                     totmass  += atom[ai].m;
 910                 }
 911             }
 912             /* Same for flat-bottomed posres, but do not count an atom twice for COM */
 913             for (i = 0; (i < prfb->nr); i++)
 914             {
 915                 ai = prfb->param[i].ai();
 916                 if (ai >= natoms)
 917                 {
 918                     gmx_fatal(FARGS, "Position restraint atom index (%d) in moltype '%s' is larger than number of atoms in %s (%d).\n",
 919                               ai+1, *molinfo[molb->type].name, fn, natoms);
 920                 }
 921                 if (rc_scaling == erscCOM && hadAtom[ai] == FALSE)
 922                 {
 923                     /* Determine the center of mass of the posres reference coordinates */
 924                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 925                     {
 926                         sum[j] += atom[ai].m*x[a+ai][j];
 927                     }
 928                     totmass  += atom[ai].m;
 929                 }
 930             }
 931             if (!bTopB)
 932             {
 933                 molb->nposres_xA = nat_molb;
 934                 snew(molb->posres_xA, molb->nposres_xA);
 935                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 936                 {
 937                     copy_rvec(x[a+i], molb->posres_xA[i]);
 938                 }
 939             }
 940             else
 941             {
 942                 molb->nposres_xB = nat_molb;
 943                 snew(molb->posres_xB, molb->nposres_xB);
 944                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 945                 {
 946                     copy_rvec(x[a+i], molb->posres_xB[i]);
 947                 }
 948             }
 949         }
 950         a += nat_molb;
 951     }
 952     if (rc_scaling == erscCOM)
 953     {
 954         if (totmass == 0)
 955         {
 956             gmx_fatal(FARGS, "The total mass of the position restraint atoms is 0");
 957         }
 958         for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 959         {
 960             com[j] = sum[j]/totmass;
 961         }
 962         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]);
 963     }
 964
 965     if (rc_scaling != erscNO)
 966     {
 967         GMX_ASSERT(npbcdim <= DIM, "Only DIM dimensions can have PBC");
 968
 969         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 970         {
 971             molb     = &mtop->molblock[mb];
 972             nat_molb = molb->nmol*mtop->moltype[molb->type].atoms.nr;
 973             if (molb->nposres_xA > 0 || molb->nposres_xB > 0)
 974             {
 975                 xp = (!bTopB ? molb->posres_xA : molb->posres_xB);
 976                 for (i = 0; i < nat_molb; i++)
 977                 {
 978                     for (j = 0; j < npbcdim; j++)
 979                     {
 980                         if (rc_scaling == erscALL)
 981                         {
 982                             /* Convert from Cartesian to crystal coordinates */
 983                             xp[i][j] *= invbox[j][j];
 984                             for (k = j+1; k < npbcdim; k++)
 985                             {
 986                                 xp[i][j] += invbox[k][j]*xp[i][k];
 987                             }
 988                         }
 989                         else if (rc_scaling == erscCOM)
 990                         {
 991                             /* Subtract the center of mass */
 992                             xp[i][j] -= com[j];
 993                         }
 994                     }
 995                 }
 996             }
 997         }
 998
 999         if (rc_scaling == erscCOM)
1000         {
1001             /* Convert the COM from Cartesian to crystal coordinates */
1002             for (j = 0; j < npbcdim; j++)
1003             {
1004                 com[j] *= invbox[j][j];
1005                 for (k = j+1; k < npbcdim; k++)
1006                 {
1007                     com[j] += invbox[k][j]*com[k];
1008                 }
1009             }
1010         }
1011     }
1012
1013     sfree(x);
1014     sfree(v);
1015     sfree(hadAtom);
1016 }
1017
1018 static void gen_posres(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *mi,
1019                        const char *fnA, const char *fnB,
1020                        int rc_scaling, int ePBC,
1021                        rvec com, rvec comB,
1022                        warninp_t wi)
1023 {
1024     read_posres  (mtop, mi, FALSE, fnA, rc_scaling, ePBC, com, wi);
1025     /* It is safer to simply read the b-state posres rather than trying
1026      * to be smart and copy the positions.
1027      */
1028     read_posres(mtop, mi, TRUE, fnB, rc_scaling, ePBC, comB, wi);
1029 }
1030
1031 static void set_wall_atomtype(gpp_atomtype_t at, t_gromppopts *opts,
1032                               t_inputrec *ir, warninp_t wi)
1033 {
1034     int  i;
1035     char warn_buf[STRLEN];
1036
1037     if (ir->nwall > 0)
1038     {
1039         fprintf(stderr, "Searching the wall atom type(s)\n");
1040     }
1041     for (i = 0; i < ir->nwall; i++)
1042     {
1043         ir->wall_atomtype[i] = get_atomtype_type(opts->wall_atomtype[i], at);
1044         if (ir->wall_atomtype[i] == NOTSET)
1045         {
1046             sprintf(warn_buf, "Specified wall atom type %s is not defined", opts->wall_atomtype[i]);
1047             warning_error(wi, warn_buf);
1048         }
1049     }
1050 }
1051
1052 static int nrdf_internal(t_atoms *atoms)
1053 {
1054     int i, nmass, nrdf;
1055
1056     nmass = 0;
1057     for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
1058     {
1059         /* Vsite ptype might not be set here yet, so also check the mass */
1060         if ((atoms->atom[i].ptype == eptAtom ||
1061              atoms->atom[i].ptype == eptNucleus)
1062             && atoms->atom[i].m > 0)
1063         {
1064             nmass++;
1065         }
1066     }
1067     switch (nmass)
1068     {
1069         case 0:  nrdf = 0; break;
1070         case 1:  nrdf = 0; break;
1071         case 2:  nrdf = 1; break;
1072         default: nrdf = nmass*3 - 6; break;
1073     }
1074
1075     return nrdf;
1076 }
1077
1078 static void
1079 spline1d( double        dx,
1080           double *      y,
1081           int           n,
1082           double *      u,
1083           double *      y2 )
1084 {
1085     int    i;
1086     double p, q;
1087
1088     y2[0] = 0.0;
1089     u[0]  = 0.0;
1090
1091     for (i = 1; i < n-1; i++)
1092     {
1093         p     = 0.5*y2[i-1]+2.0;
1094         y2[i] = -0.5/p;
1095         q     = (y[i+1]-2.0*y[i]+y[i-1])/dx;
1096         u[i]  = (3.0*q/dx-0.5*u[i-1])/p;
1097     }
1098
1099     y2[n-1] = 0.0;
1100
1101     for (i = n-2; i >= 0; i--)
1102     {
1103         y2[i] = y2[i]*y2[i+1]+u[i];
1104     }
1105 }
1106
1107
1108 static void
1109 interpolate1d( double     xmin,
1110                double     dx,
1111                double *   ya,
1112                double *   y2a,
1113                double     x,
1114                double *   y,
1115                double *   y1)
1116 {
1117     int    ix;
1118     double a, b;
1119
1120     ix = static_cast<int>((x-xmin)/dx);
1121
1122     a = (xmin+(ix+1)*dx-x)/dx;
1123     b = (x-xmin-ix*dx)/dx;
1124
1125     *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;
1126     *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];
1127 }
1128
1129
1130 static void
1131 setup_cmap (int              grid_spacing,
1132             int              nc,
1133             real *           grid,
1134             gmx_cmap_t *     cmap_grid)
1135 {
1136     double *tmp_u, *tmp_u2, *tmp_yy, *tmp_y1, *tmp_t2, *tmp_grid;
1137
1138     int     i, j, k, ii, jj, kk, idx;
1139     int     offset;
1140     double  dx, xmin, v, v1, v2, v12;
1141     double  phi, psi;
1142
1143     snew(tmp_u, 2*grid_spacing);
1144     snew(tmp_u2, 2*grid_spacing);
1145     snew(tmp_yy, 2*grid_spacing);
1146     snew(tmp_y1, 2*grid_spacing);
1147     snew(tmp_t2, 2*grid_spacing*2*grid_spacing);
1148     snew(tmp_grid, 2*grid_spacing*2*grid_spacing);
1149
1150     dx   = 360.0/grid_spacing;
1151     xmin = -180.0-dx*grid_spacing/2;
1152
1153     for (kk = 0; kk < nc; kk++)
1154     {
1155         /* Compute an offset depending on which cmap we are using
1156          * Offset will be the map number multiplied with the
1157          * grid_spacing * grid_spacing * 2
1158          */
1159         offset = kk * grid_spacing * grid_spacing * 2;
1160
1161         for (i = 0; i < 2*grid_spacing; i++)
1162         {
1163             ii = (i+grid_spacing-grid_spacing/2)%grid_spacing;
1164
1165             for (j = 0; j < 2*grid_spacing; j++)
1166             {
1167                 jj = (j+grid_spacing-grid_spacing/2)%grid_spacing;
1168                 tmp_grid[i*grid_spacing*2+j] = grid[offset+ii*grid_spacing+jj];
1169             }
1170         }
1171
1172         for (i = 0; i < 2*grid_spacing; i++)
1173         {
1174             spline1d(dx, &(tmp_grid[2*grid_spacing*i]), 2*grid_spacing, tmp_u, &(tmp_t2[2*grid_spacing*i]));
1175         }
1176
1177         for (i = grid_spacing/2; i < grid_spacing+grid_spacing/2; i++)
1178         {
1179             ii  = i-grid_spacing/2;
1180             phi = ii*dx-180.0;
1181
1182             for (j = grid_spacing/2; j < grid_spacing+grid_spacing/2; j++)
1183             {
1184                 jj  = j-grid_spacing/2;
1185                 psi = jj*dx-180.0;
1186
1187                 for (k = 0; k < 2*grid_spacing; k++)
1188                 {
1189                     interpolate1d(xmin, dx, &(tmp_grid[2*grid_spacing*k]),
1190                                   &(tmp_t2[2*grid_spacing*k]), psi, &tmp_yy[k], &tmp_y1[k]);
1191                 }
1192
1193                 spline1d(dx, tmp_yy, 2*grid_spacing, tmp_u, tmp_u2);
1194                 interpolate1d(xmin, dx, tmp_yy, tmp_u2, phi, &v, &v1);
1195                 spline1d(dx, tmp_y1, 2*grid_spacing, tmp_u, tmp_u2);
1196                 interpolate1d(xmin, dx, tmp_y1, tmp_u2, phi, &v2, &v12);
1197
1198                 idx = ii*grid_spacing+jj;
1199                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4]   = grid[offset+ii*grid_spacing+jj];
1200                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+1] = v1;
1201                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+2] = v2;
1202                 cmap_grid->cmapdata[kk].cmap[idx*4+3] = v12;
1203             }
1204         }
1205     }
1206 }
1207
1208 static void init_cmap_grid(gmx_cmap_t *cmap_grid, int ngrid, int grid_spacing)
1209 {
1210     int i, nelem;
1211
1212     cmap_grid->ngrid        = ngrid;
1213     cmap_grid->grid_spacing = grid_spacing;
1214     nelem                   = cmap_grid->grid_spacing*cmap_grid->grid_spacing;
1215
1216     snew(cmap_grid->cmapdata, ngrid);
1217
1218     for (i = 0; i < cmap_grid->ngrid; i++)
1219     {
1220         snew(cmap_grid->cmapdata[i].cmap, 4*nelem);
1221     }
1222 }
1223
1224
1225 static int count_constraints(gmx_mtop_t *mtop, t_molinfo *mi, warninp_t wi)
1226 {
1227     int             count, count_mol, i, mb;
1228     gmx_molblock_t *molb;
1229     t_params       *plist;
1230     char            buf[STRLEN];
1231
1232     count = 0;
1233     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1234     {
1235         count_mol = 0;
1236         molb      = &mtop->molblock[mb];
1237         plist     = mi[molb->type].plist;
1238
1239         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
1240         {
1241             if (i == F_SETTLE)
1242             {
1243                 count_mol += 3*plist[i].nr;
1244             }
1245             else if (interaction_function[i].flags & IF_CONSTRAINT)
1246             {
1247                 count_mol += plist[i].nr;
1248             }
1249         }
1250
1251         if (count_mol > nrdf_internal(&mi[molb->type].atoms))
1252         {
1253             sprintf(buf,
1254                     "Molecule type '%s' has %d constraints.\n"
1255                     "For stability and efficiency there should not be more constraints than internal number of degrees of freedom: %d.\n",
1256                     *mi[molb->type].name, count_mol,
1257                     nrdf_internal(&mi[molb->type].atoms));
1258             warning(wi, buf);
1259         }
1260         count += molb->nmol*count_mol;
1261     }
1262
1263     return count;
1264 }
1265
1266 static real calc_temp(const gmx_mtop_t *mtop,
1267                       const t_inputrec *ir,
1268                       rvec             *v)
1269 {
1270     gmx_mtop_atomloop_all_t aloop;
1271     const t_atom           *atom;
1272     int                     a;
1273
1274     double                  sum_mv2 = 0;
1275     aloop = gmx_mtop_atomloop_all_init(mtop);
1276     while (gmx_mtop_atomloop_all_next(aloop, &a, &atom))
1277     {
1278         sum_mv2 += atom->m*norm2(v[a]);
1279     }
1280
1281     double nrdf = 0;
1282     for (int g = 0; g < ir->opts.ngtc; g++)
1283     {
1284         nrdf += ir->opts.nrdf[g];
1285     }
1286
1287     return sum_mv2/(nrdf*BOLTZ);
1288 }
1289
1290 static real get_max_reference_temp(const t_inputrec *ir,
1291                                    warninp_t         wi)
1292 {
1293     real     ref_t;
1294     int      i;
1295     gmx_bool bNoCoupl;
1296
1297     ref_t    = 0;
1298     bNoCoupl = FALSE;
1299     for (i = 0; i < ir->opts.ngtc; i++)
1300     {
1301         if (ir->opts.tau_t[i] < 0)
1302         {
1303             bNoCoupl = TRUE;
1304         }
1305         else
1306         {
1307             ref_t = std::max(ref_t, ir->opts.ref_t[i]);
1308         }
1309     }
1310
1311     if (bNoCoupl)
1312     {
1313         char buf[STRLEN];
1314
1315         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.",
1316                 ref_t);
1317         warning(wi, buf);
1318     }
1319
1320     return ref_t;
1321 }
1322
1323 /* Checks if there are unbound atoms in moleculetype molt.
1324  * Prints a note for each unbound atoms and a warning if any is present.
1325  */
1326 static void checkForUnboundAtoms(const gmx_moltype_t *molt,
1327                                  gmx_bool             bVerbose,
1328                                  warninp_t            wi)
1329 {
1330     const t_atoms *atoms = &molt->atoms;
1331
1332     if (atoms->nr == 1)
1333     {
1334         /* Only one atom, there can't be unbound atoms */
1335         return;
1336     }
1337
1338     std::vector<int> count(atoms->nr, 0);
1339
1340     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1341     {
1342         if (((interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) && ftype != F_CONNBONDS) ||
1343             (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT) ||
1344             ftype == F_SETTLE)
1345         {
1346             const t_ilist *il   = &molt->ilist[ftype];
1347             int            nral = NRAL(ftype);
1348
1349             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1 + nral)
1350             {
1351                 for (int j = 0; j < nral; j++)
1352                 {
1353                     count[il->iatoms[i + 1 + j]]++;
1354                 }
1355             }
1356         }
1357     }
1358
1359     int numDanglingAtoms = 0;
1360     for (int a = 0; a < atoms->nr; a++)
1361     {
1362         if (atoms->atom[a].ptype != eptVSite &&
1363             count[a] == 0)
1364         {
1365             if (bVerbose)
1366             {
1367                 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",
1368                         a + 1, *atoms->atomname[a], *molt->name);
1369             }
1370             numDanglingAtoms++;
1371         }
1372     }
1373
1374     if (numDanglingAtoms > 0)
1375     {
1376         char buf[STRLEN];
1377         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.",
1378                 *molt->name, numDanglingAtoms);
1379         warning_note(wi, buf);
1380     }
1381 }
1382
1383 /* Checks all moleculetypes for unbound atoms */
1384 static void checkForUnboundAtoms(const gmx_mtop_t *mtop,
1385                                  gmx_bool          bVerbose,
1386                                  warninp_t         wi)
1387 {
1388     for (int mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1389     {
1390         checkForUnboundAtoms(&mtop->moltype[mt], bVerbose, wi);
1391     }
1392 }
1393
1394 /*! \brief Checks if there are decoupled modes in moleculetype \p molt.
1395  *
1396  * The specific decoupled modes this routine check for are angle modes
1397  * where the two bonds are constrained and the atoms a both ends are only
1398  * involved in a single constraint; the mass of the two atoms needs to
1399  * differ by more than \p massFactorThreshold.
1400  */
1401 static bool haveDecoupledModeInMol(const gmx_moltype_t *molt,
1402                                    const t_iparams     *iparams,
1403                                    real                 massFactorThreshold)
1404 {
1405     if (molt->ilist[F_CONSTR].nr == 0 && molt->ilist[F_CONSTRNC].nr == 0)
1406     {
1407         return false;
1408     }
1409
1410     const t_atom * atom = molt->atoms.atom;
1411
1412     int            numFlexibleConstraints;
1413     t_blocka       atomToConstraints = make_at2con(0, molt->atoms.nr,
1414                                                    molt->ilist, iparams,
1415                                                    FALSE,
1416                                                    &numFlexibleConstraints);
1417
1418     bool           haveDecoupledMode = false;
1419     for (int ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1420     {
1421         if (interaction_function[ftype].flags & IF_ATYPE)
1422         {
1423             const int      nral = NRAL(ftype);
1424             const t_ilist *il   = &molt->ilist[ftype];
1425             for (int i = 0; i < il->nr; i += 1 + nral)
1426             {
1427                 /* Here we check for the mass difference between the atoms
1428                  * at both ends of the angle, that the atoms at the ends have
1429                  * 1 contraint and the atom in the middle at least 3; we check
1430                  * that the 3 atoms are linked by constraints below.
1431                  * We check for at least three constraints for the middle atom,
1432                  * since with only the two bonds in the angle, we have 3-atom
1433                  * molecule, which has much more thermal exhange in this single
1434                  * angle mode than molecules with more atoms.
1435                  * Note that this check also catches molecules where more atoms
1436                  * are connected to one or more atoms in the angle, but by
1437                  * bond potentials instead of angles. But such cases will not
1438                  * occur in "normal" molecules and it doesn't hurt running
1439                  * those with higher accuracy settings as well.
1440                  */
1441                 int a0 = il->iatoms[1 + i];
1442                 int a1 = il->iatoms[1 + i + 1];
1443                 int a2 = il->iatoms[1 + i + 2];
1444                 if ((atom[a0].m > atom[a2].m*massFactorThreshold ||
1445                      atom[a2].m > atom[a0].m*massFactorThreshold) &&
1446                     atomToConstraints.index[a0 + 1] - atomToConstraints.index[a0] == 1 &&
1447                     atomToConstraints.index[a2 + 1] - atomToConstraints.index[a2] == 1 &&
1448                     atomToConstraints.index[a1 + 1] - atomToConstraints.index[a1] >= 3)
1449                 {
1450                     int  constraint0 = atomToConstraints.a[atomToConstraints.index[a0]];
1451                     int  constraint2 = atomToConstraints.a[atomToConstraints.index[a2]];
1452
1453                     bool foundAtom0  = false;
1454                     bool foundAtom2  = false;
1455                     for (int conIndex = atomToConstraints.index[a1]; conIndex < atomToConstraints.index[a1 + 1]; conIndex++)
1456                     {
1457                         if (atomToConstraints.a[conIndex] == constraint0)
1458                         {
1459                             foundAtom0 = true;
1460                         }
1461                         if (atomToConstraints.a[conIndex] == constraint2)
1462                         {
1463                             foundAtom2 = true;
1464                         }
1465                     }
1466                     if (foundAtom0 && foundAtom2)
1467                     {
1468                         haveDecoupledMode = true;
1469                     }
1470                 }
1471             }
1472         }
1473     }
1474
1475     done_blocka(&atomToConstraints);
1476
1477     return haveDecoupledMode;
1478 }
1479
1480 /*! \brief Checks if the Verlet buffer and constraint accuracy is sufficient for decoupled dynamic modes.
1481  *
1482  * When decoupled modes are present and the accuray in insufficient,
1483  * this routine issues a warning if the accuracy is insufficient.
1484  */
1485 static void checkDecoupledModeAccuracy(const gmx_mtop_t *mtop,
1486                                        const t_inputrec *ir,
1487                                        warninp_t         wi)
1488 {
1489     /* We only have issues with decoupled modes with normal MD.
1490      * With stochastic dynamics equipartitioning is enforced strongly.
1491      */
1492     if (!EI_MD(ir->eI))
1493     {
1494         return;
1495     }
1496
1497     /* When atoms of very different mass are involved in an angle potential
1498      * and both bonds in the angle are constrained, the dynamic modes in such
1499      * angles have very different periods and significant energy exchange
1500      * takes several nanoseconds. Thus even a small amount of error in
1501      * different algorithms can lead to violation of equipartitioning.
1502      * The parameters below are mainly based on an all-atom chloroform model
1503      * with all bonds constrained. Equipartitioning is off by more than 1%
1504      * (need to run 5-10 ns) when the difference in mass between H and Cl
1505      * is more than a factor 13 and the accuracy is less than the thresholds
1506      * given below. This has been verified on some other molecules.
1507      *
1508      * Note that the buffer and shake parameters have unit length and
1509      * energy/time, respectively, so they will "only" work correctly
1510      * for atomistic force fields using MD units.
1511      */
1512     const real massFactorThreshold      = 13.0;
1513     const real bufferToleranceThreshold = 1e-4;
1514     const int  lincsIterationThreshold  = 2;
1515     const int  lincsOrderThreshold      = 4;
1516     const real shakeToleranceThreshold  = 0.005*ir->delta_t;
1517
1518     bool       lincsWithSufficientTolerance = (ir->eConstrAlg == econtLINCS && ir->nLincsIter >= lincsIterationThreshold && ir->nProjOrder >= lincsOrderThreshold);
1519     bool       shakeWithSufficientTolerance = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE && ir->shake_tol <= 1.1*shakeToleranceThreshold);
1520     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET &&
1521         ir->verletbuf_tol <= 1.1*bufferToleranceThreshold &&
1522         (lincsWithSufficientTolerance || shakeWithSufficientTolerance))
1523     {
1524         return;
1525     }
1526
1527     bool haveDecoupledMode = false;
1528     for (int mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1529     {
1530         if (haveDecoupledModeInMol(&mtop->moltype[mt], mtop->ffparams.iparams,
1531                                    massFactorThreshold))
1532         {
1533             haveDecoupledMode = true;
1534         }
1535     }
1536
1537     if (haveDecoupledMode)
1538     {
1539         char modeMessage[STRLEN];
1540         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.",
1541                 massFactorThreshold);
1542         char buf[STRLEN];
1543         if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1544         {
1545             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",
1546                     modeMessage,
1547                     ei_names[eiSD1],
1548                     bufferToleranceThreshold,
1549                     lincsIterationThreshold, lincsOrderThreshold,
1550                     shakeToleranceThreshold);
1551         }
1552         else
1553         {
1554             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.",
1555                     modeMessage,
1556                     ecutscheme_names[ecutsVERLET]);
1557         }
1558         warning(wi, buf);
1559     }
1560 }
1561
1562 static void set_verlet_buffer(const gmx_mtop_t *mtop,
1563                               t_inputrec       *ir,
1564                               real              buffer_temp,
1565                               matrix            box,
1566                               warninp_t         wi)
1567 {
1568     real                   rlist_1x1;
1569     int                    n_nonlin_vsite;
1570     char                   warn_buf[STRLEN];
1571
1572     printf("Determining Verlet buffer for a tolerance of %g kJ/mol/ps at %g K\n", ir->verletbuf_tol, buffer_temp);
1573
1574     /* Calculate the buffer size for simple atom vs atoms list */
1575     VerletbufListSetup listSetup1x1;
1576     listSetup1x1.cluster_size_i = 1;
1577     listSetup1x1.cluster_size_j = 1;
1578     calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1,
1579                             buffer_temp, &listSetup1x1,
1580                             &n_nonlin_vsite, &rlist_1x1);
1581
1582     /* Set the pair-list buffer size in ir */
1583     VerletbufListSetup listSetup4x4 =
1584         verletbufGetSafeListSetup(ListSetupType::CpuNoSimd);
1585     calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1,
1586                             buffer_temp, &listSetup4x4,
1587                             &n_nonlin_vsite, &ir->rlist);
1588
1589     if (n_nonlin_vsite > 0)
1590     {
1591         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);
1592         warning_note(wi, warn_buf);
1593     }
1594
1595     printf("Calculated rlist for %dx%d atom pair-list as %.3f nm, buffer size %.3f nm\n",
1596            1, 1, rlist_1x1, rlist_1x1-std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb));
1597
1598     printf("Set rlist, assuming %dx%d atom pair-list, to %.3f nm, buffer size %.3f nm\n",
1599            listSetup4x4.cluster_size_i, listSetup4x4.cluster_size_j,
1600            ir->rlist, ir->rlist-std::max(ir->rvdw, ir->rcoulomb));
1601
1602     printf("Note that mdrun will redetermine rlist based on the actual pair-list setup\n");
1603
1604     if (gmx::square(ir->rlist) >= max_cutoff2(ir->ePBC, box))
1605     {
1606         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)));
1607     }
1608 }
1609
1610 int gmx_grompp(int argc, char *argv[])
1611 {
1612     const char        *desc[] = {
1613         "[THISMODULE] (the gromacs preprocessor)",
1614         "reads a molecular topology file, checks the validity of the",
1615         "file, expands the topology from a molecular description to an atomic",
1616         "description. The topology file contains information about",
1617         "molecule types and the number of molecules, the preprocessor",
1618         "copies each molecule as needed. ",
1619         "There is no limitation on the number of molecule types. ",
1620         "Bonds and bond-angles can be converted into constraints, separately",
1621         "for hydrogens and heavy atoms.",
1622         "Then a coordinate file is read and velocities can be generated",
1623         "from a Maxwellian distribution if requested.",
1624         "[THISMODULE] also reads parameters for [gmx-mdrun] ",
1625         "(eg. number of MD steps, time step, cut-off), and others such as",
1626         "NEMD parameters, which are corrected so that the net acceleration",
1627         "is zero.",
1628         "Eventually a binary file is produced that can serve as the sole input",
1629         "file for the MD program.[PAR]",
1630
1631         "[THISMODULE] uses the atom names from the topology file. The atom names",
1632         "in the coordinate file (option [TT]-c[tt]) are only read to generate",
1633         "warnings when they do not match the atom names in the topology.",
1634         "Note that the atom names are irrelevant for the simulation as",
1635         "only the atom types are used for generating interaction parameters.[PAR]",
1636
1637         "[THISMODULE] uses a built-in preprocessor to resolve includes, macros, ",
1638         "etc. The preprocessor supports the following keywords::",
1639         "",
1640         "    #ifdef VARIABLE",
1641         "    #ifndef VARIABLE",
1642         "    #else",
1643         "    #endif",
1644         "    #define VARIABLE",
1645         "    #undef VARIABLE",
1646         "    #include \"filename\"",
1647         "    #include <filename>",
1648         "",
1649         "The functioning of these statements in your topology may be modulated by",
1650         "using the following two flags in your [REF].mdp[ref] file::",
1651         "",
1652         "    define = -DVARIABLE1 -DVARIABLE2",
1653         "    include = -I/home/john/doe",
1654         "",
1655         "For further information a C-programming textbook may help you out.",
1656         "Specifying the [TT]-pp[tt] flag will get the pre-processed",
1657         "topology file written out so that you can verify its contents.[PAR]",
1658
1659         "When using position restraints, a file with restraint coordinates",
1660         "must be supplied with [TT]-r[tt] (can be the same file as supplied",
1661         "for [TT]-c[tt]). For free energy calculations, separate reference",
1662         "coordinates for the B topology can be supplied with [TT]-rb[tt],",
1663         "otherwise they will be equal to those of the A topology.[PAR]",
1664
1665         "Starting coordinates can be read from trajectory with [TT]-t[tt].",
1666         "The last frame with coordinates and velocities will be read,",
1667         "unless the [TT]-time[tt] option is used. Only if this information",
1668         "is absent will the coordinates in the [TT]-c[tt] file be used.",
1669         "Note that these velocities will not be used when [TT]gen_vel = yes[tt]",
1670         "in your [REF].mdp[ref] file. An energy file can be supplied with",
1671         "[TT]-e[tt] to read Nose-Hoover and/or Parrinello-Rahman coupling",
1672         "variables.[PAR]",
1673
1674         "[THISMODULE] can be used to restart simulations (preserving",
1675         "continuity) by supplying just a checkpoint file with [TT]-t[tt].",
1676         "However, for simply changing the number of run steps to extend",
1677         "a run, using [gmx-convert-tpr] is more convenient than [THISMODULE].",
1678         "You then supply the old checkpoint file directly to [gmx-mdrun]",
1679         "with [TT]-cpi[tt]. If you wish to change the ensemble or things",
1680         "like output frequency, then supplying the checkpoint file to",
1681         "[THISMODULE] with [TT]-t[tt] along with a new [REF].mdp[ref] file",
1682         "with [TT]-f[tt] is the recommended procedure. Actually preserving",
1683         "the ensemble (if possible) still requires passing the checkpoint",
1684         "file to [gmx-mdrun] [TT]-cpi[tt].[PAR]",
1685
1686         "By default, all bonded interactions which have constant energy due to",
1687         "virtual site constructions will be removed. If this constant energy is",
1688         "not zero, this will result in a shift in the total energy. All bonded",
1689         "interactions can be kept by turning off [TT]-rmvsbds[tt]. Additionally,",
1690         "all constraints for distances which will be constant anyway because",
1691         "of virtual site constructions will be removed. If any constraints remain",
1692         "which involve virtual sites, a fatal error will result.[PAR]"
1693
1694         "To verify your run input file, please take note of all warnings",
1695         "on the screen, and correct where necessary. Do also look at the contents",
1696         "of the [TT]mdout.mdp[tt] file; this contains comment lines, as well as",
1697         "the input that [THISMODULE] has read. If in doubt, you can start [THISMODULE]",
1698         "with the [TT]-debug[tt] option which will give you more information",
1699         "in a file called [TT]grompp.log[tt] (along with real debug info). You",
1700         "can see the contents of the run input file with the [gmx-dump]",
1701         "program. [gmx-check] can be used to compare the contents of two",
1702         "run input files.[PAR]"
1703
1704         "The [TT]-maxwarn[tt] option can be used to override warnings printed",
1705         "by [THISMODULE] that otherwise halt output. In some cases, warnings are",
1706         "harmless, but usually they are not. The user is advised to carefully",
1707         "interpret the output messages before attempting to bypass them with",
1708         "this option."
1709     };
1710     t_gromppopts      *opts;
1711     gmx_mtop_t        *sys;
1712     int                nmi;
1713     t_molinfo         *mi, *intermolecular_interactions;
1714     gpp_atomtype_t     atype;
1715     int                nvsite, comb, mt;
1716     t_params          *plist;
1717     real               fudgeQQ;
1718     double             reppow;
1719     const char        *mdparin;
1720     int                ntype;
1721     gmx_bool           bNeedVel, bGenVel;
1722     gmx_bool           have_atomnumber;
1723     gmx_output_env_t  *oenv;
1724     gmx_bool           bVerbose = FALSE;
1725     warninp_t          wi;
1726     char               warn_buf[STRLEN];
1727
1728     t_filenm           fnm[] = {
1729         { efMDP, nullptr,  nullptr,        ffREAD  },
1730         { efMDP, "-po", "mdout",     ffWRITE },
1731         { efSTX, "-c",  nullptr,        ffREAD  },
1732         { efSTX, "-r",  "restraint", ffOPTRD },
1733         { efSTX, "-rb", "restraint", ffOPTRD },
1734         { efNDX, nullptr,  nullptr,        ffOPTRD },
1735         { efTOP, nullptr,  nullptr,        ffREAD  },
1736         { efTOP, "-pp", "processed", ffOPTWR },
1737         { efTPR, "-o",  nullptr,        ffWRITE },
1738         { efTRN, "-t",  nullptr,        ffOPTRD },
1739         { efEDR, "-e",  nullptr,        ffOPTRD },
1740         /* This group is needed by the VMD viewer as the start configuration for IMD sessions: */
1741         { efGRO, "-imd", "imdgroup", ffOPTWR },
1742         { efTRN, "-ref", "rotref",   ffOPTRW }
1743     };
1744 #define NFILE asize(fnm)
1745
1746     /* Command line options */
1747     gmx_bool        bRenum   = TRUE;
1748     gmx_bool        bRmVSBds = TRUE, bZero = FALSE;
1749     int             i, maxwarn = 0;
1750     real            fr_time = -1;
1751     t_pargs         pa[]    = {
1752         { "-v",       FALSE, etBOOL, {&bVerbose},
1753           "Be loud and noisy" },
1754         { "-time",    FALSE, etREAL, {&fr_time},
1755           "Take frame at or first after this time." },
1756         { "-rmvsbds", FALSE, etBOOL, {&bRmVSBds},
1757           "Remove constant bonded interactions with virtual sites" },
1758         { "-maxwarn", FALSE, etINT,  {&maxwarn},
1759           "Number of allowed warnings during input processing. Not for normal use and may generate unstable systems" },
1760         { "-zero",    FALSE, etBOOL, {&bZero},
1761           "Set parameters for bonded interactions without defaults to zero instead of generating an error" },
1762         { "-renum",   FALSE, etBOOL, {&bRenum},
1763           "Renumber atomtypes and minimize number of atomtypes" }
1764     };
1765
1766     /* Parse the command line */
1767     if (!parse_common_args(&argc, argv, 0, NFILE, fnm, asize(pa), pa,
1768                            asize(desc), desc, 0, nullptr, &oenv))
1769     {
1770         return 0;
1771     }
1772
1773     /* Initiate some variables */
1774     gmx::MDModules mdModules;
1775     t_inputrec     irInstance;
1776     t_inputrec    *ir = &irInstance;
1777     snew(opts, 1);
1778     snew(opts->include, STRLEN);
1779     snew(opts->define, STRLEN);
1780
1781     wi = init_warning(TRUE, maxwarn);
1782
1783     /* PARAMETER file processing */
1784     mdparin = opt2fn("-f", NFILE, fnm);
1785     set_warning_line(wi, mdparin, -1);
1786     try
1787     {
1788         get_ir(mdparin, opt2fn("-po", NFILE, fnm), &mdModules, ir, opts, WriteMdpHeader::yes, wi);
1789     }
1790     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1791
1792     if (bVerbose)
1793     {
1794         fprintf(stderr, "checking input for internal consistency...\n");
1795     }
1796     check_ir(mdparin, ir, opts, wi);
1797
1798     if (ir->ld_seed == -1)
1799     {
1800         ir->ld_seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
1801         fprintf(stderr, "Setting the LD random seed to %" GMX_PRId64 "\n", ir->ld_seed);
1802     }
1803
1804     if (ir->expandedvals->lmc_seed == -1)
1805     {
1806         ir->expandedvals->lmc_seed = static_cast<int>(gmx::makeRandomSeed());
1807         fprintf(stderr, "Setting the lambda MC random seed to %d\n", ir->expandedvals->lmc_seed);
1808     }
1809
1810     bNeedVel = EI_STATE_VELOCITY(ir->eI);
1811     bGenVel  = (bNeedVel && opts->bGenVel);
1812     if (bGenVel && ir->bContinuation)
1813     {
1814         sprintf(warn_buf,
1815                 "Generating velocities is inconsistent with attempting "
1816                 "to continue a previous run. Choose only one of "
1817                 "gen-vel = yes and continuation = yes.");
1818         warning_error(wi, warn_buf);
1819     }
1820
1821     snew(plist, F_NRE);
1822     init_plist(plist);
1823     snew(sys, 1);
1824     atype = init_atomtype();
1825     if (debug)
1826     {
1827         pr_symtab(debug, 0, "Just opened", &sys->symtab);
1828     }
1829
1830     const char *fn = ftp2fn(efTOP, NFILE, fnm);
1831     if (!gmx_fexist(fn))
1832     {
1833         gmx_fatal(FARGS, "%s does not exist", fn);
1834     }
1835
1836     t_state state;
1837     new_status(fn, opt2fn_null("-pp", NFILE, fnm), opt2fn("-c", NFILE, fnm),
1838                opts, ir, bZero, bGenVel, bVerbose, &state,
1839                atype, sys, &nmi, &mi, &intermolecular_interactions,
1840                plist, &comb, &reppow, &fudgeQQ,
1841                opts->bMorse,
1842                wi);
1843
1844     if (debug)
1845     {
1846         pr_symtab(debug, 0, "After new_status", &sys->symtab);
1847     }
1848
1849     nvsite = 0;
1850     /* set parameters for virtual site construction (not for vsiten) */
1851     for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
1852     {
1853         nvsite +=
1854             set_vsites(bVerbose, &sys->moltype[mt].atoms, atype, mi[mt].plist);
1855     }
1856     /* now throw away all obsolete bonds, angles and dihedrals: */
1857     /* note: constraints are ALWAYS removed */
1858     if (nvsite)
1859     {
1860         for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
1861         {
1862             clean_vsite_bondeds(mi[mt].plist, sys->moltype[mt].atoms.nr, bRmVSBds);
1863         }
1864     }
1865
1866     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1867     {
1868         fprintf(stderr, "Removing all charge groups because cutoff-scheme=%s\n",
1869                 ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
1870
1871         /* Remove all charge groups */
1872         gmx_mtop_remove_chargegroups(sys);
1873     }
1874
1875     if (count_constraints(sys, mi, wi) && (ir->eConstrAlg == econtSHAKE))
1876     {
1877         if (ir->eI == eiCG || ir->eI == eiLBFGS)
1878         {
1879             sprintf(warn_buf, "Can not do %s with %s, use %s",
1880                     EI(ir->eI), econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
1881             warning_error(wi, warn_buf);
1882         }
1883         if (ir->bPeriodicMols)
1884         {
1885             sprintf(warn_buf, "Can not do periodic molecules with %s, use %s",
1886                     econstr_names[econtSHAKE], econstr_names[econtLINCS]);
1887             warning_error(wi, warn_buf);
1888         }
1889     }
1890
1891     if (EI_SD (ir->eI) &&  ir->etc != etcNO)
1892     {
1893         warning_note(wi, "Temperature coupling is ignored with SD integrators.");
1894     }
1895
1896     /* If we are doing QM/MM, check that we got the atom numbers */
1897     have_atomnumber = TRUE;
1898     for (i = 0; i < get_atomtype_ntypes(atype); i++)
1899     {
1900         have_atomnumber = have_atomnumber && (get_atomtype_atomnumber(i, atype) >= 0);
1901     }
1902     if (!have_atomnumber && ir->bQMMM)
1903     {
1904         warning_error(wi,
1905                       "\n"
1906                       "It appears as if you are trying to run a QM/MM calculation, but the force\n"
1907                       "field you are using does not contain atom numbers fields. This is an\n"
1908                       "optional field (introduced in GROMACS 3.3) for general runs, but mandatory\n"
1909                       "for QM/MM. The good news is that it is easy to add - put the atom number as\n"
1910                       "an integer just before the mass column in ffXXXnb.itp.\n"
1911                       "NB: United atoms have the same atom numbers as normal ones.\n\n");
1912     }
1913
1914     /* Check for errors in the input now, since they might cause problems
1915      * during processing further down.
1916      */
1917     check_warning_error(wi, FARGS);
1918
1919     if (nint_ftype(sys, mi, F_POSRES) > 0 ||
1920         nint_ftype(sys, mi, F_FBPOSRES) > 0)
1921     {
1922         if (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN || ir->epc == epcMTTK)
1923         {
1924             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.",
1925                     EPCOUPLTYPE(ir->epc), EPCOUPLTYPE(epcBERENDSEN));
1926             warning_note(wi, warn_buf);
1927         }
1928
1929         const char *fn = opt2fn("-r", NFILE, fnm);
1930         const char *fnB;
1931
1932         if (!gmx_fexist(fn))
1933         {
1934             gmx_fatal(FARGS,
1935                       "Cannot find position restraint file %s (option -r).\n"
1936                       "From GROMACS-2018, you need to specify the position restraint "
1937                       "coordinate files explicitly to avoid mistakes, although you can "
1938                       "still use the same file as you specify for the -c option.", fn);
1939         }
1940
1941         if (opt2bSet("-rb", NFILE, fnm))
1942         {
1943             fnB = opt2fn("-rb", NFILE, fnm);
1944             if (!gmx_fexist(fnB))
1945             {
1946                 gmx_fatal(FARGS,
1947                           "Cannot find B-state position restraint file %s (option -rb).\n"
1948                           "From GROMACS-2018, you need to specify the position restraint "
1949                           "coordinate files explicitly to avoid mistakes, although you can "
1950                           "still use the same file as you specify for the -c option.", fn);
1951             }
1952         }
1953         else
1954         {
1955             fnB = fn;
1956         }
1957
1958         if (bVerbose)
1959         {
1960             fprintf(stderr, "Reading position restraint coords from %s", fn);
1961             if (strcmp(fn, fnB) == 0)
1962             {
1963                 fprintf(stderr, "\n");
1964             }
1965             else
1966             {
1967                 fprintf(stderr, " and %s\n", fnB);
1968             }
1969         }
1970         gen_posres(sys, mi, fn, fnB,
1971                    ir->refcoord_scaling, ir->ePBC,
1972                    ir->posres_com, ir->posres_comB,
1973                    wi);
1974     }
1975
1976     /* If we are using CMAP, setup the pre-interpolation grid */
1977     if (plist[F_CMAP].ncmap > 0)
1978     {
1979         init_cmap_grid(&sys->ffparams.cmap_grid, plist[F_CMAP].nc, plist[F_CMAP].grid_spacing);
1980         setup_cmap(plist[F_CMAP].grid_spacing, plist[F_CMAP].nc, plist[F_CMAP].cmap, &sys->ffparams.cmap_grid);
1981     }
1982
1983     set_wall_atomtype(atype, opts, ir, wi);
1984     if (bRenum)
1985     {
1986         renum_atype(plist, sys, ir->wall_atomtype, atype, bVerbose);
1987         get_atomtype_ntypes(atype);
1988     }
1989
1990     if (ir->implicit_solvent)
1991     {
1992         gmx_fatal(FARGS, "Implicit solvation is no longer supported");
1993     }
1994
1995     /* PELA: Copy the atomtype data to the topology atomtype list */
1996     copy_atomtype_atomtypes(atype, &(sys->atomtypes));
1997
1998     if (debug)
1999     {
2000         pr_symtab(debug, 0, "After renum_atype", &sys->symtab);
2001     }
2002
2003     if (bVerbose)
2004     {
2005         fprintf(stderr, "converting bonded parameters...\n");
2006     }
2007
2008     ntype = get_atomtype_ntypes(atype);
2009     convert_params(ntype, plist, mi, intermolecular_interactions,
2010                    comb, reppow, fudgeQQ, sys);
2011
2012     if (debug)
2013     {
2014         pr_symtab(debug, 0, "After convert_params", &sys->symtab);
2015     }
2016
2017     /* set ptype to VSite for virtual sites */
2018     for (mt = 0; mt < sys->nmoltype; mt++)
2019     {
2020         set_vsites_ptype(FALSE, &sys->moltype[mt]);
2021     }
2022     if (debug)
2023     {
2024         pr_symtab(debug, 0, "After virtual sites", &sys->symtab);
2025     }
2026     /* Check velocity for virtual sites and shells */
2027     if (bGenVel)
2028     {
2029         check_vel(sys, as_rvec_array(state.v.data()));
2030     }
2031
2032     /* check for shells and inpurecs */
2033     check_shells_inputrec(sys, ir, wi);
2034
2035     /* check masses */
2036     check_mol(sys, wi);
2037
2038     checkForUnboundAtoms(sys, bVerbose, wi);
2039
2040     for (i = 0; i < sys->nmoltype; i++)
2041     {
2042         check_cg_sizes(ftp2fn(efTOP, NFILE, fnm), &sys->moltype[i].cgs, wi);
2043     }
2044
2045     if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && ir->eI != eiBD)
2046     {
2047         check_bonds_timestep(sys, ir->delta_t, wi);
2048     }
2049
2050     checkDecoupledModeAccuracy(sys, ir, wi);
2051
2052     if (EI_ENERGY_MINIMIZATION(ir->eI) && 0 == ir->nsteps)
2053     {
2054         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.");
2055     }
2056
2057     check_warning_error(wi, FARGS);
2058
2059     if (bVerbose)
2060     {
2061         fprintf(stderr, "initialising group options...\n");
2062     }
2063     do_index(mdparin, ftp2fn_null(efNDX, NFILE, fnm),
2064              sys, bVerbose, ir,
2065              wi);
2066
2067     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET && ir->verletbuf_tol > 0)
2068     {
2069         if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && inputrec2nboundeddim(ir) == 3)
2070         {
2071             real buffer_temp;
2072
2073             if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO)
2074             {
2075                 if (bGenVel)
2076                 {
2077                     buffer_temp = opts->tempi;
2078                 }
2079                 else
2080                 {
2081                     buffer_temp = calc_temp(sys, ir, as_rvec_array(state.v.data()));
2082                 }
2083                 if (buffer_temp > 0)
2084                 {
2085                     sprintf(warn_buf, "NVE simulation: will use the initial temperature of %.3f K for determining the Verlet buffer size", buffer_temp);
2086                     warning_note(wi, warn_buf);
2087                 }
2088                 else
2089                 {
2090                     sprintf(warn_buf, "NVE simulation with an initial temperature of zero: will use a Verlet buffer of %d%%. Check your energy drift!",
2091                             (int)(verlet_buffer_ratio_NVE_T0*100 + 0.5));
2092                     warning_note(wi, warn_buf);
2093                 }
2094             }
2095             else
2096             {
2097                 buffer_temp = get_max_reference_temp(ir, wi);
2098             }
2099
2100             if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO && buffer_temp == 0)
2101             {
2102                 /* NVE with initial T=0: we add a fixed ratio to rlist.
2103                  * Since we don't actually use verletbuf_tol, we set it to -1
2104                  * so it can't be misused later.
2105                  */
2106                 ir->rlist         *= 1.0 + verlet_buffer_ratio_NVE_T0;
2107                 ir->verletbuf_tol  = -1;
2108             }
2109             else
2110             {
2111                 /* We warn for NVE simulations with a drift tolerance that
2112                  * might result in a 1(.1)% drift over the total run-time.
2113                  * Note that we can't warn when nsteps=0, since we don't
2114                  * know how many steps the user intends to run.
2115                  */
2116                 if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO && ir->nstlist > 1 &&
2117                     ir->nsteps > 0)
2118                 {
2119                     const real driftTolerance = 0.01;
2120                     /* We use 2 DOF per atom = 2kT pot+kin energy,
2121                      * to be on the safe side with constraints.
2122                      */
2123                     const real totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond = 2*BOLTZ*buffer_temp/(ir->nsteps*ir->delta_t);
2124
2125                     if (ir->verletbuf_tol > 1.1*driftTolerance*totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond)
2126                     {
2127                         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.",
2128                                 ir->verletbuf_tol, ir->nsteps*ir->delta_t,
2129                                 (int)(ir->verletbuf_tol/totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond*100 + 0.5),
2130                                 (int)(100*driftTolerance + 0.5),
2131                                 driftTolerance*totalEnergyDriftPerAtomPerPicosecond);
2132                         warning_note(wi, warn_buf);
2133                     }
2134                 }
2135
2136                 set_verlet_buffer(sys, ir, buffer_temp, state.box, wi);
2137             }
2138         }
2139     }
2140
2141     /* Init the temperature coupling state */
2142     init_gtc_state(&state, ir->opts.ngtc, 0, ir->opts.nhchainlength); /* need to add nnhpres here? */
2143
2144     if (bVerbose)
2145     {
2146         fprintf(stderr, "Checking consistency between energy and charge groups...\n");
2147     }
2148     check_eg_vs_cg(sys);
2149
2150     if (debug)
2151     {
2152         pr_symtab(debug, 0, "After index", &sys->symtab);
2153     }
2154
2155     triple_check(mdparin, ir, sys, wi);
2156     close_symtab(&sys->symtab);
2157     if (debug)
2158     {
2159         pr_symtab(debug, 0, "After close", &sys->symtab);
2160     }
2161
2162     /* make exclusions between QM atoms */
2163     if (ir->bQMMM)
2164     {
2165         if (ir->QMMMscheme == eQMMMschemenormal && ir->ns_type == ensSIMPLE)
2166         {
2167             gmx_fatal(FARGS, "electrostatic embedding only works with grid neighboursearching, use ns-type=grid instead\n");
2168         }
2169         else
2170         {
2171             generate_qmexcl(sys, ir, wi);
2172         }
2173     }
2174
2175     if (ftp2bSet(efTRN, NFILE, fnm))
2176     {
2177         if (bVerbose)
2178         {
2179             fprintf(stderr, "getting data from old trajectory ...\n");
2180         }
2181         cont_status(ftp2fn(efTRN, NFILE, fnm), ftp2fn_null(efEDR, NFILE, fnm),
2182                     bNeedVel, bGenVel, fr_time, ir, &state, sys, oenv);
2183     }
2184
2185     if (ir->ePBC == epbcXY && ir->nwall != 2)
2186     {
2187         clear_rvec(state.box[ZZ]);
2188     }
2189
2190     if (ir->cutoff_scheme != ecutsVERLET && ir->rlist > 0)
2191     {
2192         set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2193         check_chargegroup_radii(sys, ir, as_rvec_array(state.x.data()), wi);
2194     }
2195
2196     if (EEL_FULL(ir->coulombtype) || EVDW_PME(ir->vdwtype))
2197     {
2198         /* Calculate the optimal grid dimensions */
2199         matrix          scaledBox;
2200         EwaldBoxZScaler boxScaler(*ir);
2201         boxScaler.scaleBox(state.box, scaledBox);
2202
2203         if (ir->nkx > 0 && ir->nky > 0 && ir->nkz > 0)
2204         {
2205             /* Mark fourier_spacing as not used */
2206             ir->fourier_spacing = 0;
2207         }
2208         else if (ir->nkx != 0 && ir->nky != 0 && ir->nkz != 0)
2209         {
2210             set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2211             warning_error(wi, "Some of the Fourier grid sizes are set, but all of them need to be set.");
2212         }
2213         const int minGridSize = minimalPmeGridSize(ir->pme_order);
2214         calcFftGrid(stdout, scaledBox, ir->fourier_spacing, minGridSize,
2215                     &(ir->nkx), &(ir->nky), &(ir->nkz));
2216         if (ir->nkx < minGridSize ||
2217             ir->nky < minGridSize ||
2218             ir->nkz < minGridSize)
2219         {
2220             warning_error(wi, "The PME grid size should be >= 2*(pme-order - 1); either manually increase the grid size or decrease pme-order");
2221         }
2222     }
2223
2224     /* MRS: eventually figure out better logic for initializing the fep
2225        values that makes declaring the lambda and declaring the state not
2226        potentially conflict if not handled correctly. */
2227     if (ir->efep != efepNO)
2228     {
2229         state.fep_state = ir->fepvals->init_fep_state;
2230         for (i = 0; i < efptNR; i++)
2231         {
2232             /* init_lambda trumps state definitions*/
2233             if (ir->fepvals->init_lambda >= 0)
2234             {
2235                 state.lambda[i] = ir->fepvals->init_lambda;
2236             }
2237             else
2238             {
2239                 if (ir->fepvals->all_lambda[i] == nullptr)
2240                 {
2241                     gmx_fatal(FARGS, "Values of lambda not set for a free energy calculation!");
2242                 }
2243                 else
2244                 {
2245                     state.lambda[i] = ir->fepvals->all_lambda[i][state.fep_state];
2246                 }
2247             }
2248         }
2249     }
2250
2251     struct pull_t *pull = nullptr;
2252
2253     if (ir->bPull)
2254     {
2255         pull = set_pull_init(ir, sys, as_rvec_array(state.x.data()), state.box, state.lambda[efptMASS]);
2256     }
2257
2258     /* Modules that supply external potential for pull coordinates
2259      * should register those potentials here. finish_pull() will check
2260      * that providers have been registerd for all external potentials.
2261      */
2262
2263     if (ir->bDoAwh)
2264     {
2265         setStateDependentAwhParams(ir->awhParams, ir->pull, pull,
2266                                    state.box, ir->ePBC, &ir->opts, wi);
2267     }
2268
2269     if (ir->bPull)
2270     {
2271         finish_pull(pull);
2272     }
2273
2274     if (ir->bRot)
2275     {
2276         set_reference_positions(ir->rot, as_rvec_array(state.x.data()), state.box,
2277                                 opt2fn("-ref", NFILE, fnm), opt2bSet("-ref", NFILE, fnm),
2278                                 wi);
2279     }
2280
2281     /*  reset_multinr(sys); */
2282
2283     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2284     {
2285         float ratio = pme_load_estimate(sys, ir, state.box);
2286         fprintf(stderr, "Estimate for the relative computational load of the PME mesh part: %.2f\n", ratio);
2287         /* With free energy we might need to do PME both for the A and B state
2288          * charges. This will double the cost, but the optimal performance will
2289          * then probably be at a slightly larger cut-off and grid spacing.
2290          */
2291         if ((ir->efep == efepNO && ratio > 1.0/2.0) ||
2292             (ir->efep != efepNO && ratio > 2.0/3.0))
2293         {
2294             warning_note(wi,
2295                          "The optimal PME mesh load for parallel simulations is below 0.5\n"
2296                          "and for highly parallel simulations between 0.25 and 0.33,\n"
2297                          "for higher performance, increase the cut-off and the PME grid spacing.\n");
2298             if (ir->efep != efepNO)
2299             {
2300                 warning_note(wi,
2301                              "For free energy simulations, the optimal load limit increases from 0.5 to 0.667\n");
2302             }
2303         }
2304     }
2305
2306     {
2307         char   warn_buf[STRLEN];
2308         double cio = compute_io(ir, sys->natoms, &sys->groups, F_NRE, 1);
2309         sprintf(warn_buf, "This run will generate roughly %.0f Mb of data", cio);
2310         if (cio > 2000)
2311         {
2312             set_warning_line(wi, mdparin, -1);
2313             warning_note(wi, warn_buf);
2314         }
2315         else
2316         {
2317             printf("%s\n", warn_buf);
2318         }
2319     }
2320
2321     if (bVerbose)
2322     {
2323         fprintf(stderr, "writing run input file...\n");
2324     }
2325
2326     done_warning(wi, FARGS);
2327     write_tpx_state(ftp2fn(efTPR, NFILE, fnm), ir, &state, sys);
2328
2329     /* Output IMD group, if bIMD is TRUE */
2330     write_IMDgroup_to_file(ir->bIMD, ir, &state, sys, NFILE, fnm);
2331
2332     sfree(opts->define);
2333     sfree(opts->include);
2334     sfree(opts);
2335     done_plist(plist);
2336     sfree(plist);
2337     sfree(mi);
2338     done_atomtype(atype);
2339     done_mtop(sys);
2340     sfree(sys);
2341     done_inputrec_strings();
2342
2343     return 0;
2344 }