4e9f85c030157989b9c6f27e6422909827c929c1
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / imd / imd.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2014,2015,2016,2017,2018, by the GROMACS development team, led by
5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8  *
9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12  * of the License, or (at your option) any later version.
13  *
14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17  * Lesser General Public License for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20  * License along with GROMACS; if not, see
21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23  *
24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25  * consider that scientific software is very special. Version
26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30  * official version at http://www.gromacs.org.
31  *
32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34  */
35
36 /*! \internal \file
37  *
38  * \brief
39  * Implements functions of imd.h.
40  *
41  * Re-implementation of basic IMD functions from NAMD/VMD from scratch,
42  * see imdsocket.h for references to the IMD API.
43  *
44  * \author Martin Hoefling, Carsten Kutzner <ckutzne@gwdg.de>
45  *
46  * \ingroup module_imd
47  */
48 #include "gmxpre.h"
49
50 #include "imd.h"
51
52 #include "config.h"
53
54 #include <errno.h>
55 #include <string.h>
56
57 #if GMX_NATIVE_WINDOWS
58 #include <windows.h>
59 #else
60 #include <unistd.h>
61 #endif
62
63 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
64 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
65 #include "gromacs/domdec/ga2la.h"
66 #include "gromacs/fileio/confio.h"
67 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
68 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
69 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
70 #include "gromacs/imd/imdsocket.h"
71 #include "gromacs/math/units.h"
72 #include "gromacs/math/vec.h"
73 #include "gromacs/mdlib/broadcaststructs.h"
74 #include "gromacs/mdlib/groupcoord.h"
75 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
76 #include "gromacs/mdlib/sighandler.h"
77 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
78 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
79 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
80 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
81 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
82 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
83 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
84 #include "gromacs/topology/topology.h"
85 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
86 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
87
88 /*! \brief How long shall we wait in seconds until we check for a connection again? */
89 #define IMDLOOPWAIT 1
90
91 /*! \brief How long shall we check for the IMD_GO? */
92 #define IMDCONNECTWAIT 2
93
94 /*! \brief IMD Header Size. */
95 #define HEADERSIZE 8
96 /*! \brief IMD Protocol Version. */
97 #define IMDVERSION 2
98
99
100 /*! \internal
101  * \brief
102  * IMD (interactive molecular dynamics) energy record.
103  *
104  * As in the original IMD implementation. Energies in kcal/mol.
105  * NOTE: We return the energies in GROMACS / SI units,
106  * so they also show up as SI in VMD.
107  *
108  */
109 typedef struct
110 {
111     gmx_int32_t tstep;     /**< time step                                     */
112     float       T_abs;     /**< absolute temperature                          */
113     float       E_tot;     /**< total energy                                  */
114     float       E_pot;     /**< potential energy                              */
115     float       E_vdw;     /**< van der Waals energy                          */
116     float       E_coul;    /**< Coulomb interaction energy                    */
117     float       E_bond;    /**< bonds energy                                  */
118     float       E_angle;   /**< angles energy                                 */
119     float       E_dihe;    /**< dihedrals energy                              */
120     float       E_impr;    /**< improper dihedrals energy                     */
121 } IMDEnergyBlock;
122
123
124 /*! \internal
125  * \brief IMD (interactive molecular dynamics) communication structure.
126  *
127  * This structure defines the IMD communication message header & protocol version.
128  */
129 typedef struct
130 {
131     gmx_int32_t type;      /**< Type of IMD message, see IMDType_t above      */
132     gmx_int32_t length;    /**< Length                                        */
133 } IMDHeader;
134
135
136 /*! \internal
137  * \brief IMD (interactive molecular dynamics) main data structure.
138  *
139  * Contains private IMD data
140  */
141 typedef struct t_gmx_IMD
142 {
143     FILE      *outf;                 /**< Output file for IMD data, mainly forces.    */
144
145     int        nat;                  /**< Number of atoms that can be pulled via IMD. */
146     int        nat_loc;              /**< Part of the atoms that are local.           */
147     int       *ind;                  /**< Global indices of the IMD atoms.            */
148     int       *ind_loc;              /**< Local indices of the IMD atoms.             */
149     int        nalloc_loc;           /**< Allocation size for ind_loc.                */
150     rvec      *xa;                   /**< Positions for all IMD atoms assembled on
151                                           the master node.                            */
152     ivec      *xa_shifts;            /**< Shifts for all IMD atoms, to make
153                                           molecule(s) whole.                          */
154     ivec      *xa_eshifts;           /**< Extra shifts since last DD step.            */
155     rvec      *xa_old;               /**< Old positions for all IMD atoms on master.  */
156     int       *xa_ind;               /**< Position of each local atom in the
157                                           collective array.                           */
158
159     int             nstimd;          /**< Global IMD frequency, known to all nodes.   */
160     int             nstimd_new;      /**< New frequency from IMD client, master only. */
161     int             nstimd_def;      /**< Default IMD frequency when disconnected.    */
162
163     int             port;            /**< Port to use for network socket.             */
164     IMDSocket      *socket;          /**< The IMD socket on the master node.          */
165     IMDSocket      *clientsocket;    /**< The IMD socket on the client.               */
166     int             length;          /**< Length we got with last header.             */
167
168     gmx_bool        bWConnect;       /**< Shall we block and wait for connection?     */
169     gmx_bool        bTerminated;     /**< Set if MD is terminated.                    */
170     gmx_bool        bTerminatable;   /**< Set if MD can be terminated.                */
171     gmx_bool        bConnected;      /**< Set if connection is present.               */
172     gmx_bool        bNewForces;      /**< Set if we received new forces.              */
173     gmx_bool        bForceActivated; /**< Set if pulling from VMD is allowed.         */
174
175     IMDEnergyBlock *energies;        /**< Pointer to energies we send back.           */
176
177     gmx_int32_t     vmd_nforces;     /**< Number of VMD forces.                       */
178     gmx_int32_t    *vmd_f_ind;       /**< VMD forces indices.                         */
179     float          *vmd_forces;      /**< The VMD forces flat in memory.              */
180     int             nforces;         /**< Number of actual MD forces;
181                                           this gets communicated to the clients.      */
182     int            *f_ind;           /**< Force indices.                              */
183     rvec           *f;               /**< The IMD pulling forces.                     */
184
185     char           *forcesendbuf;    /**< Buffer for force sending.                   */
186     char           *coordsendbuf;    /**< Buffer for coordinate sending.              */
187     char           *energysendbuf;   /**< Send buffer for energies.                   */
188     rvec           *sendxbuf;        /**< Buffer to make molecules whole before
189                                           sending.                                    */
190
191     t_block         mols;            /**< Molecules block in IMD group.               */
192
193     /* The next block is used on the master node only to reduce the output
194      * without sacrificing information. If any of these values changes,
195      * we need to write output */
196     int       old_nforces;       /**< Old value for nforces.                      */
197     int      *old_f_ind;         /**< Old values for force indices.               */
198     rvec     *old_forces;        /**< Old values for IMD pulling forces.          */
199
200 } t_gmx_IMD_setup;
201
202
203 /*! \internal
204  * \brief Enum for types of IMD messages.
205  *
206  * We use the same records as the NAMD/VMD IMD implementation.
207  */
208 typedef enum IMDType_t
209 {
210     IMD_DISCONNECT,      /**< client disconnect                               */
211     IMD_ENERGIES,        /**< energy data                                     */
212     IMD_FCOORDS,         /**< atomic coordinates                              */
213     IMD_GO,              /**< start command for the simulation                */
214     IMD_HANDSHAKE,       /**< handshake to determine little/big endianness    */
215     IMD_KILL,            /**< terminates the simulation                       */
216     IMD_MDCOMM,          /**< force data                                      */
217     IMD_PAUSE,           /**< pauses the simulation                           */
218     IMD_TRATE,           /**< sets the IMD transmission and processing rate   */
219     IMD_IOERROR,         /**< I/O error                                       */
220     IMD_NR               /**< number of entries                               */
221 } IMDMessageType;
222
223
224 /*! \internal
225  * \brief Names of the IMDType for error messages.
226  */
227 const char *eIMDType_names[IMD_NR + 1] = {
228     "IMD_DISCONNECT",
229     "IMD_ENERGIES",
230     "IMD_FCOORDS",
231     "IMD_GO",
232     "IMD_HANDSHAKE",
233     "IMD_KILL",
234     "IMD_MDCOMM",
235     "IMD_PAUSE",
236     "IMD_TRATE",
237     "IMD_IOERROR",
238     nullptr
239 };
240
241
242 #ifdef GMX_IMD
243
244
245 /*! \brief Fills the header with message and the length argument. */
246 static void fill_header(IMDHeader *header, IMDMessageType type, gmx_int32_t length)
247 {
248     /* We (ab-)use htonl network function for the correct endianness */
249     header->type   = htonl((gmx_int32_t) type);
250     header->length = htonl(length);
251 }
252
253
254 /*! \brief Swaps the endianess of the header. */
255 static void swap_header(IMDHeader *header)
256 {
257     /* and vice versa... */
258     header->type   = ntohl(header->type);
259     header->length = ntohl(header->length);
260 }
261
262
263 /*! \brief Reads multiple bytes from socket. */
264 static gmx_int32_t imd_read_multiple(IMDSocket *socket, char *datptr, gmx_int32_t toread)
265 {
266     gmx_int32_t leftcount, countread;
267
268
269     leftcount = toread;
270     /* Try to read while we haven't reached toread */
271     while (leftcount != 0)
272     {
273         if ((countread = imdsock_read(socket, datptr, leftcount)) < 0)
274         {
275             /* interrupted function call, try again... */
276             if (errno == EINTR)
277             {
278                 countread = 0;
279             }
280             /* this is an unexpected error, return what we got */
281             else
282             {
283                 return toread - leftcount;
284             }
285
286             /* nothing read, finished */
287         }
288         else if (countread == 0)
289         {
290             break;
291         }
292         leftcount -= countread;
293         datptr    += countread;
294     } /* end while */
295
296     /* return nr of bytes read */
297     return toread - leftcount;
298 }
299
300
301 /*! \brief Writes multiple bytes to socket in analogy to imd_read_multiple. */
302 static gmx_int32_t imd_write_multiple(IMDSocket *socket, const char *datptr, gmx_int32_t towrite)
303 {
304     gmx_int32_t leftcount, countwritten;
305
306
307     leftcount = towrite;
308     while (leftcount != 0)
309     {
310         if ((countwritten = imdsock_write(socket, datptr, leftcount)) <= 0)
311         {
312             if (errno == EINTR)
313             {
314                 countwritten = 0;
315             }
316             else
317             {
318                 return towrite - leftcount;
319             }
320         }
321         leftcount -= countwritten;
322         datptr    += countwritten;
323     } /* end while */
324
325     return towrite - leftcount;
326 }
327
328
329 /*! \brief Handshake with IMD client. */
330 static int imd_handshake(IMDSocket *socket)
331 {
332     IMDHeader header;
333
334
335     fill_header(&header, IMD_HANDSHAKE, 1);
336     header.length = IMDVERSION; /* client wants unswapped version */
337
338     return (imd_write_multiple(socket, (char *) &header, HEADERSIZE) != HEADERSIZE);
339 }
340
341
342 /*! \brief Send energies using the energy block and the send buffer. */
343 static int imd_send_energies(IMDSocket *socket, const IMDEnergyBlock *energies, char *buffer)
344 {
345     gmx_int32_t recsize;
346
347
348     recsize = HEADERSIZE + sizeof(IMDEnergyBlock);
349     fill_header((IMDHeader *) buffer, IMD_ENERGIES, 1);
350     memcpy(buffer + HEADERSIZE, energies, sizeof(IMDEnergyBlock));
351
352     return (imd_write_multiple(socket, buffer, recsize) != recsize);
353 }
354
355
356 /*! \brief Receive IMD header from socket, sets the length and returns the IMD message. */
357 static IMDMessageType imd_recv_header(IMDSocket *socket, gmx_int32_t *length)
358 {
359     IMDHeader header;
360
361
362     if (imd_read_multiple(socket, (char *) &header, HEADERSIZE) != HEADERSIZE)
363     {
364         return IMD_IOERROR;
365     }
366     swap_header(&header);
367     *length = header.length;
368
369     return (IMDMessageType) header.type;
370 }
371
372
373 /*! \brief Receive force indices and forces.
374  *
375  * The number of forces was previously communicated via the header.
376  */
377 static int imd_recv_mdcomm(IMDSocket *socket, gmx_int32_t nforces, gmx_int32_t *forcendx, float *forces)
378 {
379     int retsize, retbytes;
380
381
382     /* reading indices */
383     retsize  = sizeof(gmx_int32_t) * nforces;
384     retbytes = imd_read_multiple(socket, (char *) forcendx, retsize);
385     if (retbytes != retsize)
386     {
387         return FALSE;
388     }
389
390     /* reading forces as float array */
391     retsize  = 3 * sizeof(float) * nforces;
392     retbytes = imd_read_multiple(socket, (char *) forces, retsize);
393     if (retbytes != retsize)
394     {
395         return FALSE;
396     }
397
398     return TRUE;
399 }
400
401 #endif
402
403 /* GROMACS specific functions for the IMD implementation */
404 void write_IMDgroup_to_file(gmx_bool bIMD, t_inputrec *ir, t_state *state,
405                             gmx_mtop_t *sys, int nfile, const t_filenm fnm[])
406 {
407     t_atoms IMDatoms;
408
409
410     if (bIMD)
411     {
412         IMDatoms = gmx_mtop_global_atoms(sys);
413         write_sto_conf_indexed(opt2fn("-imd", nfile, fnm), "IMDgroup", &IMDatoms,
414                                as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(state->v.data()), ir->ePBC, state->box, ir->imd->nat, ir->imd->ind);
415     }
416 }
417
418
419 void dd_make_local_IMD_atoms(gmx_bool bIMD, gmx_domdec_t *dd, t_IMD *imd)
420 {
421     gmx_ga2la_t       *ga2la;
422     t_gmx_IMD_setup   *IMDsetup;
423
424     if (bIMD)
425     {
426         IMDsetup = imd->setup;
427         ga2la    = dd->ga2la;
428
429         dd_make_local_group_indices(
430                 ga2la, IMDsetup->nat, IMDsetup->ind, &IMDsetup->nat_loc,
431                 &IMDsetup->ind_loc, &IMDsetup->nalloc_loc, IMDsetup->xa_ind);
432     }
433 }
434
435
436 #ifdef GMX_IMD
437 /*! \brief Send positions from rvec.
438  *
439  * We need a separate send buffer and conversion to Angstrom.
440  */
441 static int imd_send_rvecs(IMDSocket *socket, int nat, rvec *x, char *buffer)
442 {
443     gmx_int32_t size;
444     int         i;
445     float       sendx[3];
446     int         tuplesize = 3 * sizeof(float);
447
448
449     /* Required size for the send buffer */
450     size = HEADERSIZE + 3 * sizeof(float) * nat;
451
452     /* Prepare header */
453     fill_header((IMDHeader *) buffer, IMD_FCOORDS, (gmx_int32_t) nat);
454     for (i = 0; i < nat; i++)
455     {
456         sendx[0] = (float) x[i][0] * NM2A;
457         sendx[1] = (float) x[i][1] * NM2A;
458         sendx[2] = (float) x[i][2] * NM2A;
459         memcpy(buffer + HEADERSIZE + i * tuplesize, sendx, tuplesize);
460     }
461
462     return (imd_write_multiple(socket, buffer, size) != size);
463 }
464
465
466 /*! \brief Initializes the IMD private data. */
467 static t_gmx_IMD_setup* imd_create(int imdatoms, int nstimddef, int imdport)
468 {
469     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup = nullptr;
470
471
472     snew(IMDsetup, 1);
473     IMDsetup->nat             = imdatoms;
474     IMDsetup->bTerminated     = FALSE;
475     IMDsetup->bTerminatable   = FALSE;
476     IMDsetup->bWConnect       = FALSE;
477     IMDsetup->bConnected      = FALSE;
478     IMDsetup->bForceActivated = FALSE;
479     IMDsetup->bNewForces      = FALSE;
480     IMDsetup->bForceActivated = FALSE;
481     IMDsetup->nstimd          = 1;
482     IMDsetup->nstimd_new      = 1;
483     IMDsetup->nstimd_def      = nstimddef;
484     if (imdport < 1)
485     {
486         IMDsetup->port        = 0;
487         fprintf(stderr, "%s You chose a port number < 1. Will automatically assign a free port.\n", IMDstr);
488     }
489     else
490     {
491         IMDsetup->port        = imdport;
492     }
493
494     return IMDsetup;
495 }
496
497
498 /*! \brief Prepare the socket on the MASTER. */
499 static void imd_prepare_master_socket(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
500 {
501     int ret;
502
503
504 #if GMX_NATIVE_WINDOWS
505     /* Winsock requires separate initialization */
506     fprintf(stderr, "%s Initializing winsock.\n", IMDstr);
507 #ifdef GMX_HAVE_WINSOCK
508     if (imdsock_winsockinit())
509     {
510         gmx_fatal(FARGS, "%s Failed to initialize winsock.\n", IMDstr);
511     }
512 #endif
513 #endif
514
515     /* The rest is identical, first create and bind a socket and set to listen then. */
516     fprintf(stderr, "%s Setting up incoming socket.\n", IMDstr);
517     IMDsetup->socket = imdsock_create();
518     if (!IMDsetup->socket)
519     {
520         gmx_fatal(FARGS, "%s Failed to create socket.", IMDstr);
521     }
522
523     /* Bind to port */
524     ret = imdsock_bind(IMDsetup->socket, IMDsetup->port);
525     if (ret)
526     {
527         gmx_fatal(FARGS, "%s binding socket to port %d failed with error %d.\n", IMDstr, IMDsetup->port, ret);
528     }
529
530     if (imd_sock_listen(IMDsetup->socket))
531     {
532         gmx_fatal(FARGS, "%s socket listen failed with error %d.\n", IMDstr, ret);
533     }
534
535     if (imdsock_getport(IMDsetup->socket, &IMDsetup->port))
536     {
537         gmx_fatal(FARGS, "%s Could not determine port number.\n", IMDstr, ret);
538     }
539
540     fprintf(stderr, "%s Listening for IMD connection on port %d.\n", IMDstr, IMDsetup->port);
541 }
542
543
544 /*! \brief Disconnect the client. */
545 static void imd_disconnect(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
546 {
547     /* Write out any buffered pulling data */
548     fflush(IMDsetup->outf);
549
550     /* we first try to shut down the clientsocket */
551     imdsock_shutdown(IMDsetup->clientsocket);
552     if (!imdsock_destroy(IMDsetup->clientsocket))
553     {
554         fprintf(stderr, "%s Failed to destroy socket.\n", IMDstr);
555     }
556
557     /* then we reset the IMD step to its default, and reset the connection boolean */
558     IMDsetup->nstimd_new   = IMDsetup->nstimd_def;
559     IMDsetup->clientsocket = nullptr;
560     IMDsetup->bConnected   = FALSE;
561 }
562
563
564 /*! \brief Prints an error message and disconnects the client.
565  *
566  *  Does not terminate mdrun!
567  */
568 static void imd_fatal(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup, const char *msg)
569 {
570     fprintf(stderr, "%s %s", IMDstr, msg);
571     imd_disconnect(IMDsetup);
572     fprintf(stderr, "%s disconnected.\n", IMDstr);
573 }
574
575
576 /*! \brief Check whether we got an incoming connection. */
577 static gmx_bool imd_tryconnect(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
578 {
579     if (imdsock_tryread(IMDsetup->socket, 0, 0) > 0)
580     {
581         /* yes, we got something, accept on clientsocket */
582         IMDsetup->clientsocket = imdsock_accept(IMDsetup->socket);
583         if (!IMDsetup->clientsocket)
584         {
585             fprintf(stderr, "%s Accepting the connection on the socket failed.\n", IMDstr);
586             return FALSE;
587         }
588
589         /* handshake with client */
590         if (imd_handshake(IMDsetup->clientsocket))
591         {
592             imd_fatal(IMDsetup, "Connection failed.\n");
593             return FALSE;
594         }
595
596         fprintf(stderr, "%s Connection established, checking if I got IMD_GO orders.\n", IMDstr);
597
598         /* Check if we get the proper "GO" command from client. */
599         if (imdsock_tryread(IMDsetup->clientsocket, IMDCONNECTWAIT, 0) != 1 || imd_recv_header(IMDsetup->clientsocket, &(IMDsetup->length)) != IMD_GO)
600         {
601             imd_fatal(IMDsetup, "No IMD_GO order received. IMD connection failed.\n");
602         }
603
604         /* IMD connected */
605         IMDsetup->bConnected = TRUE;
606
607         return TRUE;
608     }
609
610     return FALSE;
611 }
612
613
614 /*! \brief Wrap imd_tryconnect in order to make it blocking.
615  *
616  * Used when the simulation should wait for an incoming connection.
617  */
618 static void imd_blockconnect(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
619 {
620     /* do not wait for connection, when e.g. ctrl+c is pressed and we will terminate anyways. */
621     if (!((int) gmx_get_stop_condition() == gmx_stop_cond_none))
622     {
623         return;
624     }
625
626     fprintf(stderr, "%s Will wait until I have a connection and IMD_GO orders.\n", IMDstr);
627
628     /* while we have no clientsocket... 2nd part: we should still react on ctrl+c */
629     while ((!IMDsetup->clientsocket) && ((int) gmx_get_stop_condition() == gmx_stop_cond_none))
630     {
631         imd_tryconnect(IMDsetup);
632 #if GMX_NATIVE_WINDOWS
633         /* for whatever reason, it is called Sleep on windows */
634         Sleep(IMDLOOPWAIT);
635 #else
636         sleep(IMDLOOPWAIT);
637 #endif
638     }
639 }
640
641
642 /*! \brief Make sure that our array holding the forces received via IMD is large enough. */
643 static void imd_prepare_vmd_Forces(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
644 {
645     srenew((IMDsetup->vmd_f_ind), IMDsetup->vmd_nforces);
646     srenew((IMDsetup->vmd_forces), 3*IMDsetup->vmd_nforces);
647 }
648
649
650 /*! \brief Reads forces received via IMD. */
651 static void imd_read_vmd_Forces(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
652 {
653     /* the length of the previously received header tells us the nr of forces we will receive */
654     IMDsetup->vmd_nforces = IMDsetup->length;
655     /* prepare the arrays */
656     imd_prepare_vmd_Forces(IMDsetup);
657     /* Now we read the forces... */
658     if (!(imd_recv_mdcomm(IMDsetup->clientsocket, IMDsetup->vmd_nforces, IMDsetup->vmd_f_ind, IMDsetup->vmd_forces)))
659     {
660         imd_fatal(IMDsetup, "Error while reading forces from remote. Disconnecting\n");
661     }
662 }
663
664
665 /*! \brief Prepares the MD force arrays. */
666 static void imd_prepare_MD_Forces(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
667 {
668     srenew((IMDsetup->f_ind), IMDsetup->nforces);
669     srenew((IMDsetup->f    ), IMDsetup->nforces);
670 }
671
672
673 /*! \brief Copy IMD forces to MD forces.
674  *
675  * Do conversion from Cal->Joule and from
676  * Angstrom -> nm and from a pointer array to arrays to 3*N array.
677  */
678 static void imd_copyto_MD_Forces(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
679 {
680     int  i;
681     real conversion = CAL2JOULE * NM2A;
682
683
684     for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
685     {
686         /* Copy the indices, a copy is important because we may update the incoming forces
687          * whenever we receive new forces while the MD forces are only communicated upon
688          * IMD communication.*/
689         IMDsetup->f_ind[i] = IMDsetup->vmd_f_ind[i];
690
691         /* Convert to rvecs and do a proper unit conversion */
692         IMDsetup->f[i][0] = IMDsetup->vmd_forces[3*i    ] * conversion;
693         IMDsetup->f[i][1] = IMDsetup->vmd_forces[3*i + 1] * conversion;
694         IMDsetup->f[i][2] = IMDsetup->vmd_forces[3*i + 2] * conversion;
695     }
696 }
697
698
699 /*! \brief Return TRUE if any of the forces or indices changed. */
700 static gmx_bool bForcesChanged(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
701 {
702     int i;
703
704
705     /* First, check whether the number of pulled atoms changed */
706     if (IMDsetup->nforces != IMDsetup->old_nforces)
707     {
708         return TRUE;
709     }
710
711     /* Second, check whether any of the involved atoms changed */
712     for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
713     {
714         if (IMDsetup->f_ind[i] != IMDsetup->old_f_ind[i])
715         {
716             return TRUE;
717         }
718     }
719
720     /* Third, check whether all forces are the same */
721     for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
722     {
723         if (IMDsetup->f[i][XX] != IMDsetup->old_forces[i][XX])
724         {
725             return TRUE;
726         }
727         if (IMDsetup->f[i][YY] != IMDsetup->old_forces[i][YY])
728         {
729             return TRUE;
730         }
731         if (IMDsetup->f[i][ZZ] != IMDsetup->old_forces[i][ZZ])
732         {
733             return TRUE;
734         }
735     }
736
737     /* All old and new forces are identical! */
738     return FALSE;
739 }
740
741
742 /*! \brief Fill the old_f_ind and old_forces arrays with the new, old values. */
743 static void keep_old_values(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
744 {
745     int i;
746
747
748     IMDsetup->old_nforces = IMDsetup->nforces;
749
750     for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
751     {
752         IMDsetup->old_f_ind[i] = IMDsetup->f_ind[i];
753         copy_rvec(IMDsetup->f[i], IMDsetup->old_forces[i]);
754     }
755 }
756
757
758 /*! \brief Returns TRUE if any component of the two rvecs differs. */
759 static inline gmx_bool rvecs_differ(const rvec v1, const rvec v2)
760 {
761     int i;
762
763
764     for (i = 0; i < DIM; i++)
765     {
766         if (v1[i] != v2[i])
767         {
768             return TRUE;
769         }
770     }
771
772     return FALSE;
773 }
774
775
776 /*! \brief Write the applied pull forces to logfile.
777  *
778  * Call on master only!
779  */
780 static void output_imd_forces(t_inputrec *ir, double time)
781 {
782     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup;
783     int              i;
784
785
786     IMDsetup = ir->imd->setup;
787
788     if (bForcesChanged(IMDsetup))
789     {
790         /* Write time and total number of applied IMD forces */
791         fprintf(IMDsetup->outf, "%14.6e%6d", time, IMDsetup->nforces);
792
793         /* Write out the global atom indices of the pulled atoms and the forces itself,
794          * write out a force only if it has changed since the last output */
795         for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
796         {
797             if (rvecs_differ(IMDsetup->f[i], IMDsetup->old_forces[i]))
798             {
799                 fprintf(IMDsetup->outf, "%9d", IMDsetup->ind[IMDsetup->f_ind[i]] + 1);
800                 fprintf(IMDsetup->outf, "%12.4e%12.4e%12.4e", IMDsetup->f[i][0], IMDsetup->f[i][1], IMDsetup->f[i][2]);
801             }
802         }
803         fprintf(IMDsetup->outf, "\n");
804
805         keep_old_values(IMDsetup);
806     }
807 }
808
809
810 /*! \brief Synchronize the nodes. */
811 static void imd_sync_nodes(t_inputrec *ir, const t_commrec *cr, double t)
812 {
813     int              new_nforces = 0;
814     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup;
815
816
817     IMDsetup = ir->imd->setup;
818
819     /* Notify the other nodes whether we are still connected. */
820     if (PAR(cr))
821     {
822         block_bc(cr, IMDsetup->bConnected);
823     }
824
825     /* ...if not connected, the job is done here. */
826     if (!IMDsetup->bConnected)
827     {
828         return;
829     }
830
831     /* Let the other nodes know whether we got a new IMD synchronization frequency. */
832     if (PAR(cr))
833     {
834         block_bc(cr, IMDsetup->nstimd_new);
835     }
836
837     /* Now we all set the (new) nstimd communication time step */
838     IMDsetup->nstimd = IMDsetup->nstimd_new;
839
840     /* We're done if we don't allow pulling at all */
841     if (!(IMDsetup->bForceActivated))
842     {
843         return;
844     }
845
846     /* OK, let's check if we have received forces which we need to communicate
847      * to the other nodes */
848     if (MASTER(cr))
849     {
850         if (IMDsetup->bNewForces)
851         {
852             new_nforces = IMDsetup->vmd_nforces;
853         }
854         /* make the "new_forces" negative, when we did not receive new ones */
855         else
856         {
857             new_nforces = IMDsetup->vmd_nforces * -1;
858         }
859     }
860
861     /* make new_forces known to the clients */
862     if (PAR(cr))
863     {
864         block_bc(cr, new_nforces);
865     }
866
867     /* When new_natoms < 0 then we know that these are still the same forces
868      * so we don't communicate them, otherwise... */
869     if (new_nforces >= 0)
870     {
871         /* set local VMD and nforces */
872         IMDsetup->vmd_nforces = new_nforces;
873         IMDsetup->nforces     = IMDsetup->vmd_nforces;
874
875         /* now everybody knows the number of forces in f_ind, so we can prepare
876          * the target arrays for indices and forces */
877         imd_prepare_MD_Forces(IMDsetup);
878
879         /* we first update the MD forces on the master by converting the VMD forces */
880         if (MASTER(cr))
881         {
882             imd_copyto_MD_Forces(IMDsetup);
883             /* We also write out forces on every update, so that we know which
884              * forces are applied for every step */
885             if (IMDsetup->outf)
886             {
887                 output_imd_forces(ir, t);
888             }
889         }
890
891         /* In parallel mode we communicate the to-be-applied forces to the other nodes */
892         if (PAR(cr))
893         {
894             nblock_bc(cr, IMDsetup->nforces, IMDsetup->f_ind);
895             nblock_bc(cr, IMDsetup->nforces, IMDsetup->f    );
896         }
897
898         /* done communicating the forces, reset bNewForces */
899         IMDsetup->bNewForces = FALSE;
900     }
901 }
902
903
904 /*! \brief Reads header from the client and decides what to do. */
905 static void imd_readcommand(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
906 {
907     gmx_bool       IMDpaused = FALSE;
908     IMDMessageType itype;
909
910
911     while (IMDsetup->clientsocket && (imdsock_tryread(IMDsetup->clientsocket, 0, 0) > 0 || IMDpaused))
912     {
913         itype = imd_recv_header(IMDsetup->clientsocket, &(IMDsetup->length));
914         /* let's see what we got: */
915         switch (itype)
916         {
917             /* IMD asks us to terminate the simulation, check if the user allowed this */
918             case IMD_KILL:
919                 if (IMDsetup->bTerminatable)
920                 {
921                     fprintf(stderr, " %s Terminating connection and running simulation (if supported by integrator).\n", IMDstr);
922                     IMDsetup->bTerminated = TRUE;
923                     IMDsetup->bWConnect   = FALSE;
924                     gmx_set_stop_condition(gmx_stop_cond_next);
925                 }
926                 else
927                 {
928                     fprintf(stderr, " %s Set -imdterm command line switch to allow mdrun termination from within IMD.\n", IMDstr);
929                 }
930
931                 break;
932
933             /* the client doen't want to talk to us anymore */
934             case IMD_DISCONNECT:
935                 fprintf(stderr, " %s Disconnecting client.\n", IMDstr);
936                 imd_disconnect(IMDsetup);
937                 break;
938
939             /* we got new forces, read them and set bNewForces flag */
940             case IMD_MDCOMM:
941                 imd_read_vmd_Forces(IMDsetup);
942                 IMDsetup->bNewForces = TRUE;
943                 break;
944
945             /* the client asks us to (un)pause the simulation. So we toggle the IMDpaused state */
946             case IMD_PAUSE:
947                 if (IMDpaused)
948                 {
949                     fprintf(stderr, " %s Un-pause command received.\n", IMDstr);
950                     IMDpaused = FALSE;
951                 }
952                 else
953                 {
954                     fprintf(stderr, " %s Pause command received.\n", IMDstr);
955                     IMDpaused = TRUE;
956                 }
957
958                 break;
959
960             /* the client sets a new transfer rate, if we get 0, we reset the rate
961              * to the default. VMD filters 0 however */
962             case IMD_TRATE:
963                 IMDsetup->nstimd_new = (IMDsetup->length > 0) ? IMDsetup->length : IMDsetup->nstimd_def;
964                 fprintf(stderr, " %s Update frequency will be set to %d.\n", IMDstr, IMDsetup->nstimd_new);
965                 break;
966
967             /* Catch all rule for the remaining IMD types which we don't expect */
968             default:
969                 fprintf(stderr, " %s Received unexpected %s.\n", IMDstr, enum_name((int)itype, IMD_NR, eIMDType_names));
970                 imd_fatal(IMDsetup, "Terminating connection\n");
971                 break;
972         } /* end switch */
973     }     /* end while  */
974 }
975
976
977 /*! \brief Open IMD output file and write header information.
978  *
979  * Call on master only.
980  */
981 static FILE *open_imd_out(const char                *fn,
982                           t_gmx_IMD_setup           *IMDsetup,
983                           int                        nat_total,
984                           const gmx_output_env_t    *oenv,
985                           const ContinuationOptions &continuationOptions)
986 {
987     FILE       *fp;
988
989
990     /* Open log file of applied IMD forces if requested */
991     if (fn && oenv)
992     {
993         /* If we append to an existing file, all the header information is already there */
994         if (continuationOptions.appendFiles)
995         {
996             fp = gmx_fio_fopen(fn, "a+");
997         }
998         else
999         {
1000             fp = gmx_fio_fopen(fn, "w+");
1001             if (IMDsetup->nat == nat_total)
1002             {
1003                 fprintf(fp, "# Note that you can select an IMD index group in the .mdp file if a subset of the atoms suffices.\n");
1004             }
1005
1006             xvgr_header(fp, "IMD Pull Forces", "Time (ps)", "# of Forces / Atom IDs / Forces (kJ/mol)", exvggtNONE, oenv);
1007
1008             fprintf(fp, "# Can display and manipulate %d (of a total of %d) atoms via IMD.\n", IMDsetup->nat, nat_total);
1009             fprintf(fp, "# column 1    : time (ps)\n");
1010             fprintf(fp, "# column 2    : total number of atoms feeling an IMD pulling force at that time\n");
1011             fprintf(fp, "# cols. 3.-6  : global atom number of pulled atom, x-force, y-force, z-force (kJ/mol)\n");
1012             fprintf(fp, "# then follow : atom-ID, f[x], f[y], f[z] for more atoms in case the force on multiple atoms is changed simultaneously.\n");
1013             fprintf(fp, "# Note that the force on any atom is always equal to the last value for that atom-ID found in the data.\n");
1014             fflush(fp);
1015         }
1016
1017         /* To reduce the output file size we remember the old values and output only
1018          * when something changed */
1019         snew(IMDsetup->old_f_ind, IMDsetup->nat);  /* One can never pull on more atoms */
1020         snew(IMDsetup->old_forces, IMDsetup->nat);
1021
1022         return fp;
1023     }
1024
1025     fprintf(stdout, "%s For a log of the IMD pull forces explicitly specify '-if' on the command line.\n"
1026             "%s (Not possible with energy minimization.)\n", IMDstr, IMDstr);
1027
1028     return nullptr;
1029 }
1030 #endif
1031
1032
1033 void IMD_finalize(gmx_bool bIMD, t_IMD *imd)
1034 {
1035     if (bIMD)
1036     {
1037         if (imd->setup->outf)
1038         {
1039             gmx_fio_fclose(imd->setup->outf);
1040         }
1041     }
1042 }
1043
1044
1045 #ifdef GMX_IMD
1046 /*! \brief Creates the molecule start-end position array of molecules in the IMD group. */
1047 static void init_imd_prepare_mols_in_imdgroup(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup, gmx_mtop_t *top_global)
1048 {
1049     int      i, ii;
1050     t_block  lmols;
1051     int      nat;
1052     int     *ind;
1053
1054     nat   = IMDsetup->nat;
1055     ind   = IMDsetup->ind;
1056
1057     lmols.nr = 0;
1058
1059     /* check whether index is sorted */
1060     for (i = 0; i < nat-1; i++)
1061     {
1062         if (ind[i] > ind[i+1])
1063         {
1064             gmx_fatal(FARGS, "%s IMD index is not sorted. This is currently not supported.\n", IMDstr);
1065         }
1066     }
1067
1068     gmx::RangePartitioning gmols = gmx_mtop_molecules(*top_global);
1069     snew(lmols.index, gmols.numBlocks() + 1);
1070     lmols.index[0] = 0;
1071
1072     for (i = 0; i < gmols.numBlocks(); i++)
1073     {
1074         auto mol   = gmols.block(i);
1075         int  count = 0;
1076         for (ii = 0; ii < nat; ii++)
1077         {
1078             if (mol.inRange(ind[ii]))
1079             {
1080                 count += 1;
1081             }
1082         }
1083         if (count > 0)
1084         {
1085             lmols.index[lmols.nr+1] = lmols.index[lmols.nr]+count;
1086             lmols.nr               += 1;
1087         }
1088     }
1089     srenew(lmols.index, lmols.nr+1);
1090     lmols.nalloc_index = lmols.nr+1;
1091     IMDsetup->mols     = lmols;
1092 }
1093
1094
1095 /*! \brief Copied and modified from groupcoord.c shift_positions_group(). */
1096 static void shift_positions(
1097         matrix box,
1098         rvec   x[],      /* The positions [0..nr] */
1099         ivec   is,       /* The shift [0..nr] */
1100         int    nr)       /* The number of positions */
1101 {
1102     int      i, tx, ty, tz;
1103
1104     /* Loop over the group's atoms */
1105     if (TRICLINIC(box))
1106     {
1107         for (i = 0; i < nr; i++)
1108         {
1109             tx = is[XX];
1110             ty = is[YY];
1111             tz = is[ZZ];
1112
1113             x[i][XX] = x[i][XX]-tx*box[XX][XX]-ty*box[YY][XX]-tz*box[ZZ][XX];
1114             x[i][YY] = x[i][YY]-ty*box[YY][YY]-tz*box[ZZ][YY];
1115             x[i][ZZ] = x[i][ZZ]-tz*box[ZZ][ZZ];
1116         }
1117     }
1118     else
1119     {
1120         for (i = 0; i < nr; i++)
1121         {
1122             tx = is[XX];
1123             ty = is[YY];
1124             tz = is[ZZ];
1125
1126             x[i][XX] = x[i][XX]-tx*box[XX][XX];
1127             x[i][YY] = x[i][YY]-ty*box[YY][YY];
1128             x[i][ZZ] = x[i][ZZ]-tz*box[ZZ][ZZ];
1129         }
1130     }
1131 }
1132
1133
1134 /*! \brief Removes shifts of molecules diffused outside of the box. */
1135 static void imd_remove_molshifts(t_gmx_IMD_setup *IMDsetup, matrix box)
1136 {
1137     int     i, ii, molsize;
1138     ivec    largest, smallest, shift;
1139     t_block mols;
1140
1141
1142     mols = IMDsetup->mols;
1143
1144     /* for each molecule also present in IMD group */
1145     for (i = 0; i < mols.nr; i++)
1146     {
1147         /* first we determine the minimum and maximum shifts for each molecule */
1148
1149         clear_ivec(largest);
1150         clear_ivec(smallest);
1151         clear_ivec(shift);
1152
1153         copy_ivec(IMDsetup->xa_shifts[mols.index[i]], largest);
1154         copy_ivec(IMDsetup->xa_shifts[mols.index[i]], smallest);
1155
1156         for (ii = mols.index[i]+1; ii < mols.index[i+1]; ii++)
1157         {
1158             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][XX] > largest[XX])
1159             {
1160                 largest[XX]  = IMDsetup->xa_shifts[ii][XX];
1161             }
1162             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][XX] < smallest[XX])
1163             {
1164                 smallest[XX] = IMDsetup->xa_shifts[ii][XX];
1165             }
1166
1167             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][YY] > largest[YY])
1168             {
1169                 largest[YY]  = IMDsetup->xa_shifts[ii][YY];
1170             }
1171             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][YY] < smallest[YY])
1172             {
1173                 smallest[YY] = IMDsetup->xa_shifts[ii][YY];
1174             }
1175
1176             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][ZZ] > largest[ZZ])
1177             {
1178                 largest[ZZ]  = IMDsetup->xa_shifts[ii][ZZ];
1179             }
1180             if (IMDsetup->xa_shifts[ii][ZZ] < smallest[ZZ])
1181             {
1182                 smallest[ZZ] = IMDsetup->xa_shifts[ii][ZZ];
1183             }
1184
1185         }
1186
1187         /* check if we what we can subtract/add to the positions
1188          * to put them back into the central box */
1189         if (smallest[XX] > 0)
1190         {
1191             shift[XX] = smallest[XX];
1192         }
1193         if (smallest[YY] > 0)
1194         {
1195             shift[YY] = smallest[YY];
1196         }
1197         if (smallest[ZZ] > 0)
1198         {
1199             shift[ZZ] = smallest[ZZ];
1200         }
1201
1202         if (largest[XX] < 0)
1203         {
1204             shift[XX] = largest[XX];
1205         }
1206         if (largest[YY] < 0)
1207         {
1208             shift[YY] = largest[YY];
1209         }
1210         if (largest[ZZ] < 0)
1211         {
1212             shift[ZZ] = largest[ZZ];
1213         }
1214
1215         /* is there a shift at all? */
1216         if ((shift[XX]) || (shift[YY]) || (shift[ZZ]))
1217         {
1218             molsize = mols.index[i+1]-mols.index[i];
1219             /* shift the positions */
1220             shift_positions(box, &(IMDsetup->xa[mols.index[i]]), shift, molsize);
1221         }
1222
1223     }
1224 }
1225
1226
1227 /*! \brief Initialize arrays used to assemble the positions from the other nodes. */
1228 static void init_imd_prepare_for_x_assembly(const t_commrec *cr, rvec x[], t_gmx_IMD_setup *IMDsetup)
1229 {
1230     int i, ii;
1231
1232
1233     snew(IMDsetup->xa,         IMDsetup->nat);
1234     snew(IMDsetup->xa_ind,     IMDsetup->nat);
1235     snew(IMDsetup->xa_shifts,  IMDsetup->nat);
1236     snew(IMDsetup->xa_eshifts, IMDsetup->nat);
1237     snew(IMDsetup->xa_old,     IMDsetup->nat);
1238
1239     /* Save the original (whole) set of positions such that later the
1240      * molecule can always be made whole again */
1241     if (MASTER(cr))
1242     {
1243         for (i = 0; i < IMDsetup->nat; i++)
1244         {
1245             ii = IMDsetup->ind[i];
1246             copy_rvec(x[ii], IMDsetup->xa_old[i]);
1247         }
1248     }
1249
1250     if (!PAR(cr))
1251     {
1252         IMDsetup->nat_loc = IMDsetup->nat;
1253         IMDsetup->ind_loc = IMDsetup->ind;
1254
1255         /* xa_ind[i] needs to be set to i for serial runs */
1256         for (i = 0; i < IMDsetup->nat; i++)
1257         {
1258             IMDsetup->xa_ind[i] = i;
1259         }
1260     }
1261
1262     /* Communicate initial coordinates xa_old to all processes */
1263 #if GMX_MPI
1264     if (PAR(cr))
1265     {
1266         gmx_bcast(IMDsetup->nat * sizeof(IMDsetup->xa_old[0]), IMDsetup->xa_old, cr);
1267     }
1268 #endif
1269 }
1270 #endif
1271
1272
1273 /*! \brief Check for non-working integrator / parallel options. */
1274 static void imd_check_integrator_parallel(t_inputrec *ir, const t_commrec *cr)
1275 {
1276     if (PAR(cr))
1277     {
1278         if (((ir->eI) == eiSteep) || ((ir->eI) == eiCG) || ((ir->eI) == eiLBFGS) || ((ir->eI) == eiNM))
1279         {
1280             gmx_fatal(FARGS, "%s Energy minimization via steep, CG, lbfgs and nm in parallel is currently not supported by IMD.\n", IMDstr);
1281             return;
1282         }
1283     }
1284 }
1285
1286 void init_IMD(t_inputrec             *ir,
1287               const t_commrec        *cr,
1288               const gmx_multisim_t   *ms,
1289               gmx_mtop_t             *top_global,
1290               FILE                   *fplog,
1291               int                     defnstimd,
1292               rvec                    x[],
1293               int                     nfile,
1294               const t_filenm          fnm[],
1295               const gmx_output_env_t *oenv,
1296               const MdrunOptions     &mdrunOptions)
1297 {
1298     int              i;
1299     int              nat_total;
1300     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup;
1301     gmx_int32_t      bufxsize;
1302     gmx_bool         bIMD = FALSE;
1303
1304
1305     /* We will allow IMD sessions only if explicitly enabled in the .tpr file */
1306     if (FALSE == ir->bIMD)
1307     {
1308         return;
1309     }
1310     // TODO many of these error conditions were we can't do what the
1311     // user asked for should be handled with a fatal error, not just a
1312     // warning.
1313
1314     const ImdOptions &options = mdrunOptions.imdOptions;
1315
1316     /* It seems we have a .tpr file that defines an IMD group and thus allows IMD sessions.
1317      * Check whether we can actually provide the IMD functionality for this setting: */
1318     if (MASTER(cr))
1319     {
1320         /* Check whether IMD was enabled by one of the command line switches: */
1321         if (options.wait || options.terminatable || options.pull)
1322         {
1323             /* Multiple simulations or replica exchange */
1324             if (isMultiSim(ms))
1325             {
1326                 fprintf(stderr, "%s Cannot use IMD for multiple simulations or replica exchange.\n", IMDstr);
1327             }
1328             /* OK, IMD seems to be allowed and turned on... */
1329             else
1330             {
1331                 fprintf(stderr, "%s Enabled. This simulation will accept incoming IMD connections.\n", IMDstr);
1332                 bIMD = TRUE;
1333             }
1334         }
1335         else
1336         {
1337             fprintf(stderr, "%s None of the -imd switches was used.\n"
1338                     "%s This run will not accept incoming IMD connections\n", IMDstr, IMDstr);
1339         }
1340     } /* end master only */
1341
1342     /* Disable IMD if not all the needed functionality is there! */
1343 #if GMX_NATIVE_WINDOWS && !defined(GMX_HAVE_WINSOCK)
1344     bIMD = FALSE;
1345     fprintf(stderr, "Disabling IMD because the winsock library was not found at compile time.\n");
1346 #endif
1347
1348     /* Let the other nodes know whether we want IMD */
1349     if (PAR(cr))
1350     {
1351         block_bc(cr, bIMD);
1352     }
1353     /* ... and update our local inputrec accordingly. */
1354     ir->bIMD = bIMD;
1355
1356     /*... if not we are done.*/
1357     if (!ir->bIMD)
1358     {
1359         return;
1360     }
1361
1362
1363     /* check if we're using a sane integrator / parallel combination */
1364     imd_check_integrator_parallel(ir, cr);
1365
1366
1367     /*
1368      *****************************************************
1369      * From here on we assume that IMD is turned on      *
1370      *****************************************************
1371      */
1372
1373 #ifdef GMX_IMD
1374     nat_total = top_global->natoms;
1375
1376     /* Initialize IMD setup structure. If we read in a pre-IMD .tpr file, imd->nat
1377      * will be zero. For those cases we transfer _all_ atomic positions */
1378     ir->imd->setup = imd_create(ir->imd->nat > 0 ? ir->imd->nat : nat_total,
1379                                 defnstimd, options.port);
1380     IMDsetup       = ir->imd->setup;
1381
1382     /* We might need to open an output file for IMD forces data */
1383     if (MASTER(cr))
1384     {
1385         IMDsetup->outf = open_imd_out(opt2fn("-if", nfile, fnm), ir->imd->setup, nat_total, oenv, mdrunOptions.continuationOptions);
1386     }
1387
1388     /* Make sure that we operate with a valid atom index array for the IMD atoms */
1389     if (ir->imd->nat > 0)
1390     {
1391         /* Point to the user-supplied array of atom numbers */
1392         IMDsetup->ind = ir->imd->ind;
1393     }
1394     else
1395     {
1396         /* Make a dummy (ind[i] = i) array of all atoms */
1397         snew(IMDsetup->ind, nat_total);
1398         for (i = 0; i < nat_total; i++)
1399         {
1400             IMDsetup->ind[i] = i;
1401         }
1402     }
1403
1404     /* read environment on master and prepare socket for incoming connections */
1405     if (MASTER(cr))
1406     {
1407         /* we allocate memory for our IMD energy structure */
1408         gmx_int32_t recsize = HEADERSIZE + sizeof(IMDEnergyBlock);
1409         snew(IMDsetup->energysendbuf, recsize);
1410
1411         /* Shall we wait for a connection? */
1412         if (options.wait)
1413         {
1414             IMDsetup->bWConnect = TRUE;
1415             fprintf(stderr, "%s Pausing simulation while no IMD connection present (-imdwait).\n", IMDstr);
1416         }
1417
1418         /* Will the IMD clients be able to terminate the simulation? */
1419         if (options.terminatable)
1420         {
1421             IMDsetup->bTerminatable = TRUE;
1422             fprintf(stderr, "%s Allow termination of the simulation from IMD client (-imdterm).\n", IMDstr);
1423         }
1424
1425         /* Is pulling from IMD client allowed? */
1426         if (options.pull)
1427         {
1428             IMDsetup->bForceActivated = TRUE;
1429             fprintf(stderr, "%s Pulling from IMD remote is enabled (-imdpull).\n", IMDstr);
1430         }
1431
1432         /* Initialize send buffers with constant size */
1433         snew(IMDsetup->sendxbuf, IMDsetup->nat);
1434         snew(IMDsetup->energies, 1);
1435         bufxsize = HEADERSIZE + 3 * sizeof(float) * IMDsetup->nat;
1436         snew(IMDsetup->coordsendbuf, bufxsize);
1437     }
1438
1439     /* do we allow interactive pulling? If so let the other nodes know. */
1440     if (PAR(cr))
1441     {
1442         block_bc(cr, IMDsetup->bForceActivated);
1443     }
1444
1445     /* setup the listening socket on master process */
1446     if (MASTER(cr))
1447     {
1448         fprintf(fplog, "%s Setting port for connection requests to %d.\n", IMDstr, IMDsetup->port);
1449         fprintf(stderr, "%s Turning on IMD - port for incoming requests is %d.\n", IMDstr, IMDsetup->port);
1450         imd_prepare_master_socket(IMDsetup);
1451         /* Wait until we have a connection if specified before */
1452         if (IMDsetup->bWConnect)
1453         {
1454             imd_blockconnect(IMDsetup);
1455         }
1456         else
1457         {
1458             fprintf(stderr, "%s -imdwait not set, starting simulation.\n", IMDstr);
1459         }
1460     }
1461     /* Let the other nodes know whether we are connected */
1462     imd_sync_nodes(ir, cr, 0);
1463
1464     /* Initialize arrays used to assemble the positions from the other nodes */
1465     init_imd_prepare_for_x_assembly(cr, x, IMDsetup);
1466
1467     /* Initialize molecule blocks to make them whole later...*/
1468     if (MASTER(cr))
1469     {
1470         init_imd_prepare_mols_in_imdgroup(IMDsetup, top_global);
1471     }
1472 #else
1473     gmx_incons("init_IMD: this GROMACS version was not compiled with IMD support!");
1474 #endif
1475 }
1476
1477
1478 gmx_bool do_IMD(gmx_bool         bIMD,
1479                 gmx_int64_t      step,
1480                 const t_commrec *cr,
1481                 gmx_bool         bNS,
1482                 matrix           box,
1483                 rvec             x[],
1484                 t_inputrec      *ir,
1485                 double           t,
1486                 gmx_wallcycle   *wcycle)
1487 {
1488     gmx_bool         imdstep = FALSE;
1489     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup;
1490
1491
1492     /* IMD at all? */
1493     if (!bIMD)
1494     {
1495         return FALSE;
1496     }
1497
1498 #ifdef GMX_IMD
1499     wallcycle_start(wcycle, ewcIMD);
1500
1501     IMDsetup = ir->imd->setup;
1502
1503     /* read command from client and check if new incoming connection */
1504     if (MASTER(cr))
1505     {
1506         /* If not already connected, check for new connections */
1507         if (!IMDsetup->clientsocket)
1508         {
1509             if (IMDsetup->bWConnect)
1510             {
1511                 imd_blockconnect(IMDsetup);
1512             }
1513             else
1514             {
1515                 imd_tryconnect(IMDsetup);
1516             }
1517         }
1518
1519         /* Let's see if we have new IMD messages for us */
1520         if (IMDsetup->clientsocket)
1521         {
1522             imd_readcommand(IMDsetup);
1523         }
1524     }
1525
1526     /* is this an IMD communication step? */
1527     imdstep = do_per_step(step, IMDsetup->nstimd);
1528
1529     /* OK so this is an IMD step ... */
1530     if (imdstep)
1531     {
1532         /* First we sync all nodes to let everybody know whether we are connected to VMD */
1533         imd_sync_nodes(ir, cr, t);
1534     }
1535
1536     /* If a client is connected, we collect the positions
1537      * and put molecules back into the box before transfer */
1538     if ((imdstep && IMDsetup->bConnected)
1539         || bNS)            /* independent of imdstep, we communicate positions at each NS step */
1540     {
1541         /* Transfer the IMD positions to the master node. Every node contributes
1542          * its local positions x and stores them in the assembled xa array. */
1543         communicate_group_positions(cr, IMDsetup->xa, IMDsetup->xa_shifts, IMDsetup->xa_eshifts,
1544                                     TRUE, x, IMDsetup->nat, IMDsetup->nat_loc,
1545                                     IMDsetup->ind_loc, IMDsetup->xa_ind, IMDsetup->xa_old, box);
1546
1547         /* If connected and master -> remove shifts */
1548         if ((imdstep && IMDsetup->bConnected) && MASTER(cr))
1549         {
1550             imd_remove_molshifts(IMDsetup, box);
1551         }
1552     }
1553
1554     wallcycle_stop(wcycle, ewcIMD);
1555 #else
1556     gmx_incons("do_IMD called without IMD support!");
1557 #endif
1558
1559     return imdstep;
1560 }
1561
1562
1563 void IMD_fill_energy_record(gmx_bool bIMD, t_IMD *imd, gmx_enerdata_t *enerd,
1564                             gmx_int64_t step, gmx_bool bHaveNewEnergies)
1565 {
1566     IMDEnergyBlock *ene;
1567     t_gmx_IMD      *IMDsetup;
1568
1569
1570     if (bIMD)
1571     {
1572 #ifdef GMX_IMD
1573         IMDsetup = imd->setup;
1574
1575         if (IMDsetup->clientsocket)
1576         {
1577             ene = IMDsetup->energies;
1578
1579             ene->tstep = step;
1580
1581             /* In MPI-parallel simulations the energies are not accessible a at every time step.
1582              * We update them if we have new values, otherwise, the energy values from the
1583              * last global communication step are still on display in the viewer. */
1584             if (bHaveNewEnergies)
1585             {
1586                 ene->T_abs   = (float)  enerd->term[F_TEMP   ];
1587                 ene->E_pot   = (float)  enerd->term[F_EPOT   ];
1588                 ene->E_tot   = (float)  enerd->term[F_ETOT   ];
1589                 ene->E_bond  = (float)  enerd->term[F_BONDS  ];
1590                 ene->E_angle = (float)  enerd->term[F_ANGLES ];
1591                 ene->E_dihe  = (float)  enerd->term[F_PDIHS  ];
1592                 ene->E_impr  = (float)  enerd->term[F_IDIHS  ];
1593                 ene->E_vdw   = (float)  enerd->term[F_LJ     ];
1594                 ene->E_coul  = (float)  enerd->term[F_COUL_SR];
1595             }
1596         }
1597 #else
1598         gmx_incons("IMD_fill_energy_record called without IMD support.");
1599 #endif
1600     }
1601 }
1602
1603
1604 void IMD_send_positions(t_IMD *imd)
1605 {
1606 #ifdef GMX_IMD
1607     t_gmx_IMD *IMDsetup;
1608
1609
1610     IMDsetup = imd->setup;
1611
1612     if (IMDsetup->clientsocket)
1613     {
1614
1615         if (imd_send_energies(IMDsetup->clientsocket, IMDsetup->energies, IMDsetup->energysendbuf))
1616         {
1617             imd_fatal(IMDsetup, "Error sending updated energies. Disconnecting client.\n");
1618         }
1619
1620         if (imd_send_rvecs(IMDsetup->clientsocket, IMDsetup->nat, IMDsetup->xa, IMDsetup->coordsendbuf))
1621         {
1622             imd_fatal(IMDsetup, "Error sending updated positions. Disconnecting client.\n");
1623         }
1624     }
1625 #else
1626     gmx_incons("IMD_send_positions called without IMD support.");
1627 #endif
1628 }
1629
1630
1631 void IMD_prep_energies_send_positions(gmx_bool bIMD, gmx_bool bIMDstep,
1632                                       t_IMD *imd, gmx_enerdata_t *enerd,
1633                                       gmx_int64_t step, gmx_bool bHaveNewEnergies,
1634                                       gmx_wallcycle *wcycle)
1635 {
1636     if (bIMD)
1637     {
1638 #ifdef GMX_IMD
1639         wallcycle_start(wcycle, ewcIMD);
1640
1641         /* Update time step for IMD and prepare IMD energy record if we have new energies. */
1642         IMD_fill_energy_record(TRUE, imd, enerd, step, bHaveNewEnergies);
1643
1644         if (bIMDstep)
1645         {
1646             /* Send positions and energies to VMD client via IMD */
1647             IMD_send_positions(imd);
1648         }
1649
1650         wallcycle_stop(wcycle, ewcIMD);
1651 #else
1652         gmx_incons("IMD_prep_energies_send_positions called without IMD support.");
1653 #endif
1654     }
1655 }
1656
1657 int IMD_get_step(t_gmx_IMD *IMDsetup)
1658 {
1659     return IMDsetup->nstimd;
1660 }
1661
1662
1663 void IMD_apply_forces(gmx_bool bIMD, t_IMD *imd, const t_commrec *cr, rvec *f,
1664                       gmx_wallcycle *wcycle)
1665 {
1666     int              i, j;
1667     int              locndx;
1668     t_gmx_IMD_setup *IMDsetup;
1669
1670
1671     if (bIMD)
1672     {
1673 #ifdef GMX_IMD
1674         wallcycle_start(wcycle, ewcIMD);
1675
1676         IMDsetup = imd->setup;
1677
1678         /* Are forces allowed at all? If not we're done */
1679         if (!IMDsetup->bForceActivated)
1680         {
1681             return;
1682         }
1683
1684         for (i = 0; i < IMDsetup->nforces; i++)
1685         {
1686             /* j are the indices in the "System group".*/
1687             j = IMDsetup->ind[IMDsetup->f_ind[i]];
1688
1689             /* check if this is a local atom and find out locndx */
1690             if (PAR(cr) && ga2la_get_home(cr->dd->ga2la, j, &locndx))
1691             {
1692                 j = locndx;
1693             }
1694
1695             rvec_inc(f[j], IMDsetup->f[i]);
1696         }
1697
1698         wallcycle_start(wcycle, ewcIMD);
1699 #else
1700         gmx_incons("IMD_apply_forces called without IMD support.");
1701 #endif
1702     }
1703 }