src/gromacs/imd/imd.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2014,2015,2016,2017,2018,2019, 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 /*! \libinternal
  37  * \defgroup module_imd Interactive molecular dynamics (IMD)
  38  * \ingroup group_mdrun
  39  *
  40  * \brief
  41  * Allows mdrun to interface with VMD via the interactive molecular dynamics
  42  * (IMD) protocol.
  43  *
  44  * \author Martin Hoefling, Carsten Kutzner <ckutzne@gwdg.de>
  45  *
  46  * \todo Rename the directory, source and test files to
  47  * interactive_md, and prefer type names like
  48  * InteractiveMDSession. Avoid ambiguity with IMDModule.
  49  */
  50
  51 /*! \libinternal \file
  52  *
  53  * \brief This file declares the class that coordinates with VMD via
  54  * the Interactive Molecular Dynamics protocol, along with supporting
  55  * free functions.
  56  *
  57  * \author Martin Hoefling, Carsten Kutzner <ckutzne@gwdg.de>
  58  *
  59  * \inlibraryapi
  60  * \ingroup module_imd
  61  */
  62
  63 #ifndef GMX_IMD_IMD_H
  64 #define GMX_IMD_IMD_H
  65
  66 #include <memory>
  67
  68 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  69 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  70 #include "gromacs/utility/classhelpers.h"
  71
  72 struct gmx_domdec_t;
  73 struct gmx_enerdata_t;
  74 struct gmx_mtop_t;
  75 struct gmx_multisim_t;
  76 struct gmx_output_env_t;
  77 struct gmx_wallcycle;
  78 struct t_commrec;
  79 struct t_filenm;
  80 struct t_IMD;
  81 struct t_inputrec;
  82 class t_state;
  83
  84 namespace gmx
  85 {
  86 class IMDModule;
  87 class ImdSession;
  88 class InteractiveMolecularDynamics;
  89 class MDLogger;
  90 struct MdrunOptions;
  91
  92 /*! \brief
  93  * Creates a module for interactive molecular dynamics.
  94  */
  95 std::unique_ptr<IMDModule> createInteractiveMolecularDynamicsModule();
  96
  97 static const char IMDstr[] = "IMD:"; /**< Tag output from the IMD module with this string. */
  98
  99 /*! \brief Writes out the group of atoms selected for interactive manipulation.
 100  *
 101  * Called by grompp.
 102  * The resulting file has to be read in by VMD if one wants it to connect to mdrun.
 103  *
 104  * \param bIMD    Only springs into action if bIMD is TRUE. Otherwise returns directly.
 105  * \param ir      Structure containing MD input parameters, among those
 106  *                the IMD data structure.
 107  * \param state   The current state of the MD system.
 108  * \param sys     The global, complete system topology.
 109  * \param nfile   Number of files.
 110  * \param fnm     Filename struct.
 111  */
 112 void write_IMDgroup_to_file(bool bIMD, t_inputrec *ir, const t_state *state,
 113                             const gmx_mtop_t *sys, int nfile, const t_filenm fnm[]);
 114
 115
 116 /*! \brief Makes and returns an initialized IMD session, which may be inactive.
 117  *
 118  * This function is called before the main MD loop over time steps.
 119  *
 120  * \param ir           The inputrec structure containing the MD input parameters
 121  * \param cr           Information structure for MPI communication.
 122  * \param wcycle       Count wallcycles of IMD routines for diagnostic output.
 123  * \param enerd        Contains the GROMACS energies for the different interaction types.
 124  * \param ms           Handler for multi-simulations.
 125  * \param top_global   The topology of the whole system.
 126  * \param mdlog        Logger
 127  * \param x            The starting positions of the atoms.
 128  * \param nfile        Number of files.
 129  * \param fnm          Struct containing file names etc.
 130  * \param oenv         Output options.
 131  * \param mdrunOptions Options for mdrun.
 132  */
 133 std::unique_ptr<ImdSession>
 134 makeImdSession(const t_inputrec *ir,
 135                const t_commrec *cr,
 136                gmx_wallcycle *wcycle,
 137                gmx_enerdata_t *enerd,
 138                const gmx_multisim_t *ms,
 139                const gmx_mtop_t *top_global,
 140                const MDLogger &mdlog,
 141                const rvec x[],
 142                int nfile, const t_filenm fnm[], const gmx_output_env_t *oenv,
 143                const MdrunOptions &mdrunOptions);
 144
 145 class ImdSession
 146 {
 147     private:
 148         //! Private constructor, to force the use of makeImdSession()
 149         ImdSession(const MDLogger &mdlog);
 150     public:
 151         ~ImdSession();
 152
 153         /*! \brief Make a selection of the home atoms for the IMD group.
 154          *
 155          * Should be called at every domain decomposition.
 156          * Each node checks which of the atoms from "ind" are local and puts its local
 157          * atom numbers into the "ind_local" array. Furthermore, in "xa_ind" it is
 158          * stored at which position each local atom belongs in the assembled/collective
 159          * array, so that on the master node all positions can be merged into the
 160          * assembled array correctly.
 161          *
 162          * \param dd          Structure containing domain decomposition data.
 163          */
 164         void dd_make_local_IMD_atoms(const gmx_domdec_t *dd);
 165
 166         /*! \brief Prepare to do IMD if required in this time step
 167          * Also checks for new IMD connection and syncs the nodes.
 168          *
 169          * \param step         The time step.
 170          * \param bNS          Is this a neighbor searching step?
 171          * \param box          The simulation box.
 172          * \param x            The local atomic positions on this node.
 173          * \param t            The time.
 174          *
 175          * \returns            Whether or not we have to do IMD communication at this step.
 176          */
 177         bool run(int64_t      step,
 178                  bool         bNS,
 179                  const matrix box,
 180                  const rvec   x[],
 181                  double       t);
 182
 183         /*! \brief Add external forces from a running interactive molecular dynamics session.
 184          *
 185          * \param f            The forces.
 186          */
 187         void applyForces(rvec *f);
 188
 189         /*! \brief Copy energies and convert to float from enerdata to the IMD energy record.
 190          *
 191          * We do no conversion, so units in client are SI!
 192          *
 193          * \param step             The time step.
 194          * \param bHaveNewEnergies Only copy energies if we have done global summing of them before.
 195          */
 196         void fillEnergyRecord(int64_t step,
 197                               bool    bHaveNewEnergies);
 198
 199         /*! \brief Send positions and energies to the client. */
 200         void sendPositionsAndEnergies();
 201
 202         /*! \brief Updates the energy record sent to VMD if needed, and sends positions and energies.
 203          *
 204          * \param bIMDstep         If true, transfer the positions. Otherwise just update the time step and potentially the energy record.
 205          * \param step             The time step.
 206          * \param bHaveNewEnergies Update the energy record if we have done global summing of the energies.
 207          */
 208         void updateEnergyRecordAndSendPositionsAndEnergies(bool    bIMDstep,
 209                                                            int64_t step,
 210                                                            bool    bHaveNewEnergies);
 211
 212     private:
 213         //! Implementation type.
 214         class Impl;
 215         //! Implementation object.
 216         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 217
 218     public:
 219         // Befriend the factory function.
 220         friend std::unique_ptr<ImdSession>
 221         makeImdSession(const t_inputrec       *ir,
 222                        const t_commrec        *cr,
 223                        gmx_wallcycle          *wcycle,
 224                        gmx_enerdata_t         *enerd,
 225                        const gmx_multisim_t   *ms,
 226                        const gmx_mtop_t       *top_global,
 227                        const MDLogger         &mdlog,
 228                        const rvec              x[],
 229                        int                     nfile,
 230                        const t_filenm          fnm[],
 231                        const gmx_output_env_t *oenv,
 232                        const MdrunOptions     &mdrunOptions);
 233 };
 234
 235 } // namespace gmx
 236
 237 #endif