src/gromacs/mdlib/clincs.c

   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, 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 /* This file is completely threadsafe - keep it that way! */
  38 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  39 #include <config.h>
  40 #endif
  41
  42 #include <math.h>
  43 #include "main.h"
  44 #include "constr.h"
  45 #include "copyrite.h"
  46 #include "physics.h"
  47 #include "vec.h"
  48 #include "pbc.h"
  49 #include "smalloc.h"
  50 #include "mdrun.h"
  51 #include "nrnb.h"
  52 #include "domdec.h"
  53 #include "partdec.h"
  54 #include "mtop_util.h"
  55 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  56
  57 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  58 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  59
  60 typedef struct {
  61     int    b0;         /* first constraint for this thread */
  62     int    b1;         /* b1-1 is the last constraint for this thread */
  63     int    nind;       /* number of indices */
  64     int   *ind;        /* constraint index for updating atom data */
  65     int    nind_r;     /* number of indices */
  66     int   *ind_r;      /* constraint index for updating atom data */
  67     int    ind_nalloc; /* allocation size of ind and ind_r */
  68     tensor vir_r_m_dr; /* temporary variable for virial calculation */
  69 } lincs_thread_t;
  70
  71 typedef struct gmx_lincsdata {
  72     int             ncg;          /* the global number of constraints */
  73     int             ncg_flex;     /* the global number of flexible constraints */
  74     int             ncg_triangle; /* the global number of constraints in triangles */
  75     int             nIter;        /* the number of iterations */
  76     int             nOrder;       /* the order of the matrix expansion */
  77     int             nc;           /* the number of constraints */
  78     int             nc_alloc;     /* the number we allocated memory for */
  79     int             ncc;          /* the number of constraint connections */
  80     int             ncc_alloc;    /* the number we allocated memory for */
  81     real            matlam;       /* the FE lambda value used for filling blc and blmf */
  82     real           *bllen0;       /* the reference distance in topology A */
  83     real           *ddist;        /* the reference distance in top B - the r.d. in top A */
  84     int            *bla;          /* the atom pairs involved in the constraints */
  85     real           *blc;          /* 1/sqrt(invmass1 + invmass2) */
  86     real           *blc1;         /* as blc, but with all masses 1 */
  87     int            *blnr;         /* index into blbnb and blmf */
  88     int            *blbnb;        /* list of constraint connections */
  89     int             ntriangle;    /* the local number of constraints in triangles */
  90     int            *triangle;     /* the list of triangle constraints */
  91     int            *tri_bits;     /* the bits tell if the matrix element should be used */
  92     int             ncc_triangle; /* the number of constraint connections in triangles */
  93     gmx_bool        bCommIter;    /* communicate before each LINCS interation */
  94     real           *blmf;         /* matrix of mass factors for constraint connections */
  95     real           *blmf1;        /* as blmf, but with all masses 1 */
  96     real           *bllen;        /* the reference bond length */
  97     int             nth;          /* The number of threads doing LINCS */
  98     lincs_thread_t *th;           /* LINCS thread division */
  99     unsigned       *atf;          /* atom flags for thread parallelization */
 100     int             atf_nalloc;   /* allocation size of atf */
 101     /* arrays for temporary storage in the LINCS algorithm */
 102     rvec           *tmpv;
 103     real           *tmpncc;
 104     real           *tmp1;
 105     real           *tmp2;
 106     real           *tmp3;
 107     real           *tmp4;
 108     real           *mlambda; /* the Lagrange multipliers * -1 */
 109     /* storage for the constraint RMS relative deviation output */
 110     real            rmsd_data[3];
 111 } t_gmx_lincsdata;
 112
 113 real *lincs_rmsd_data(struct gmx_lincsdata *lincsd)
 114 {
 115     return lincsd->rmsd_data;
 116 }
 117
 118 real lincs_rmsd(struct gmx_lincsdata *lincsd, gmx_bool bSD2)
 119 {
 120     if (lincsd->rmsd_data[0] > 0)
 121     {
 122         return sqrt(lincsd->rmsd_data[bSD2 ? 2 : 1]/lincsd->rmsd_data[0]);
 123     }
 124     else
 125     {
 126         return 0;
 127     }
 128 }
 129
 130 /* Do a set of nrec LINCS matrix multiplications.
 131  * This function will return with up to date thread-local
 132  * constraint data, without an OpenMP barrier.
 133  */
 134 static void lincs_matrix_expand(const struct gmx_lincsdata *lincsd,
 135                                 int b0, int b1,
 136                                 const real *blcc,
 137                                 real *rhs1, real *rhs2, real *sol)
 138 {
 139     int        nrec, rec, b, j, n, nr0, nr1;
 140     real       mvb, *swap;
 141     int        ntriangle, tb, bits;
 142     const int *blnr     = lincsd->blnr, *blbnb = lincsd->blbnb;
 143     const int *triangle = lincsd->triangle, *tri_bits = lincsd->tri_bits;
 144
 145     ntriangle = lincsd->ntriangle;
 146     nrec      = lincsd->nOrder;
 147
 148     for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 149     {
 150 #pragma omp barrier
 151         for (b = b0; b < b1; b++)
 152         {
 153             mvb = 0;
 154             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 155             {
 156                 j   = blbnb[n];
 157                 mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[j];
 158             }
 159             rhs2[b] = mvb;
 160             sol[b]  = sol[b] + mvb;
 161         }
 162         swap = rhs1;
 163         rhs1 = rhs2;
 164         rhs2 = swap;
 165     } /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 166
 167     if (ntriangle > 0)
 168     {
 169         /* Perform an extra nrec recursions for only the constraints
 170          * involved in rigid triangles.
 171          * In this way their accuracy should come close to those of the other
 172          * constraints, since traingles of constraints can produce eigenvalues
 173          * around 0.7, while the effective eigenvalue for bond constraints
 174          * is around 0.4 (and 0.7*0.7=0.5).
 175          */
 176         /* We need to copy the temporary array, since only the elements
 177          * for constraints involved in triangles are updated and then
 178          * the pointers are swapped. This saving copying the whole arrary.
 179          * We need barrier as other threads might still be reading from rhs2.
 180          */
 181 #pragma omp barrier
 182         for (b = b0; b < b1; b++)
 183         {
 184             rhs2[b] = rhs1[b];
 185         }
 186 #pragma omp barrier
 187 #pragma omp master
 188         {
 189             for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 190             {
 191                 for (tb = 0; tb < ntriangle; tb++)
 192                 {
 193                     b    = triangle[tb];
 194                     bits = tri_bits[tb];
 195                     mvb  = 0;
 196                     nr0  = blnr[b];
 197                     nr1  = blnr[b+1];
 198                     for (n = nr0; n < nr1; n++)
 199                     {
 200                         if (bits & (1<<(n-nr0)))
 201                         {
 202                             j   = blbnb[n];
 203                             mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[j];
 204                         }
 205                     }
 206                     rhs2[b] = mvb;
 207                     sol[b]  = sol[b] + mvb;
 208                 }
 209                 swap = rhs1;
 210                 rhs1 = rhs2;
 211                 rhs2 = swap;
 212             }
 213         } /* flops count is missing here */
 214
 215         /* We need a barrier here as the calling routine will continue
 216          * to operate on the thread-local constraints without barrier.
 217          */
 218 #pragma omp barrier
 219     }
 220 }
 221
 222 static void lincs_update_atoms_noind(int ncons, const int *bla,
 223                                      real prefac,
 224                                      const real *fac, rvec *r,
 225                                      const real *invmass,
 226                                      rvec *x)
 227 {
 228     int  b, i, j;
 229     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 230
 231     if (invmass != NULL)
 232     {
 233         for (b = 0; b < ncons; b++)
 234         {
 235             i        = bla[2*b];
 236             j        = bla[2*b+1];
 237             mvb      = prefac*fac[b];
 238             im1      = invmass[i];
 239             im2      = invmass[j];
 240             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 241             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 242             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 243             x[i][0] -= tmp0*im1;
 244             x[i][1] -= tmp1*im1;
 245             x[i][2] -= tmp2*im1;
 246             x[j][0] += tmp0*im2;
 247             x[j][1] += tmp1*im2;
 248             x[j][2] += tmp2*im2;
 249         } /* 16 ncons flops */
 250     }
 251     else
 252     {
 253         for (b = 0; b < ncons; b++)
 254         {
 255             i        = bla[2*b];
 256             j        = bla[2*b+1];
 257             mvb      = prefac*fac[b];
 258             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 259             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 260             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 261             x[i][0] -= tmp0;
 262             x[i][1] -= tmp1;
 263             x[i][2] -= tmp2;
 264             x[j][0] += tmp0;
 265             x[j][1] += tmp1;
 266             x[j][2] += tmp2;
 267         }
 268     }
 269 }
 270
 271 static void lincs_update_atoms_ind(int ncons, const int *ind, const int *bla,
 272                                    real prefac,
 273                                    const real *fac, rvec *r,
 274                                    const real *invmass,
 275                                    rvec *x)
 276 {
 277     int  bi, b, i, j;
 278     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 279
 280     if (invmass != NULL)
 281     {
 282         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 283         {
 284             b        = ind[bi];
 285             i        = bla[2*b];
 286             j        = bla[2*b+1];
 287             mvb      = prefac*fac[b];
 288             im1      = invmass[i];
 289             im2      = invmass[j];
 290             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 291             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 292             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 293             x[i][0] -= tmp0*im1;
 294             x[i][1] -= tmp1*im1;
 295             x[i][2] -= tmp2*im1;
 296             x[j][0] += tmp0*im2;
 297             x[j][1] += tmp1*im2;
 298             x[j][2] += tmp2*im2;
 299         } /* 16 ncons flops */
 300     }
 301     else
 302     {
 303         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 304         {
 305             b        = ind[bi];
 306             i        = bla[2*b];
 307             j        = bla[2*b+1];
 308             mvb      = prefac*fac[b];
 309             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 310             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 311             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 312             x[i][0] -= tmp0;
 313             x[i][1] -= tmp1;
 314             x[i][2] -= tmp2;
 315             x[j][0] += tmp0;
 316             x[j][1] += tmp1;
 317             x[j][2] += tmp2;
 318         } /* 16 ncons flops */
 319     }
 320 }
 321
 322 static void lincs_update_atoms(struct gmx_lincsdata *li, int th,
 323                                real prefac,
 324                                const real *fac, rvec *r,
 325                                const real *invmass,
 326                                rvec *x)
 327 {
 328     if (li->nth == 1)
 329     {
 330         /* Single thread, we simply update for all constraints */
 331         lincs_update_atoms_noind(li->nc, li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 332     }
 333     else
 334     {
 335         /* Update the atom vector components for our thread local
 336          * constraints that only access our local atom range.
 337          * This can be done without a barrier.
 338          */
 339         lincs_update_atoms_ind(li->th[th].nind, li->th[th].ind,
 340                                li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 341
 342         if (li->th[li->nth].nind > 0)
 343         {
 344             /* Update the constraints that operate on atoms
 345              * in multiple thread atom blocks on the master thread.
 346              */
 347 #pragma omp barrier
 348 #pragma omp master
 349             {
 350                 lincs_update_atoms_ind(li->th[li->nth].nind,
 351                                        li->th[li->nth].ind,
 352                                        li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 353             }
 354         }
 355     }
 356 }
 357
 358 /* LINCS projection, works on derivatives of the coordinates */
 359 static void do_lincsp(rvec *x, rvec *f, rvec *fp, t_pbc *pbc,
 360                       struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 361                       real *invmass,
 362                       int econq, real *dvdlambda,
 363                       gmx_bool bCalcVir, tensor rmdf)
 364 {
 365     int      b0, b1, b, i, j, k, n;
 366     real     tmp0, tmp1, tmp2, im1, im2, mvb, rlen, len, wfac, lam;
 367     rvec     dx;
 368     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 369     rvec    *r;
 370     real    *blc, *blmf, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol;
 371
 372     b0 = lincsd->th[th].b0;
 373     b1 = lincsd->th[th].b1;
 374
 375     bla    = lincsd->bla;
 376     r      = lincsd->tmpv;
 377     blnr   = lincsd->blnr;
 378     blbnb  = lincsd->blbnb;
 379     if (econq != econqForce)
 380     {
 381         /* Use mass-weighted parameters */
 382         blc  = lincsd->blc;
 383         blmf = lincsd->blmf;
 384     }
 385     else
 386     {
 387         /* Use non mass-weighted parameters */
 388         blc  = lincsd->blc1;
 389         blmf = lincsd->blmf1;
 390     }
 391     blcc   = lincsd->tmpncc;
 392     rhs1   = lincsd->tmp1;
 393     rhs2   = lincsd->tmp2;
 394     sol    = lincsd->tmp3;
 395
 396     /* Compute normalized i-j vectors */
 397     if (pbc)
 398     {
 399         for (b = b0; b < b1; b++)
 400         {
 401             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 402             unitv(dx, r[b]);
 403         }
 404     }
 405     else
 406     {
 407         for (b = b0; b < b1; b++)
 408         {
 409             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 410             unitv(dx, r[b]);
 411         } /* 16 ncons flops */
 412     }
 413
 414 #pragma omp barrier
 415     for (b = b0; b < b1; b++)
 416     {
 417         tmp0 = r[b][0];
 418         tmp1 = r[b][1];
 419         tmp2 = r[b][2];
 420         i    = bla[2*b];
 421         j    = bla[2*b+1];
 422         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 423         {
 424             k       = blbnb[n];
 425             blcc[n] = blmf[n]*(tmp0*r[k][0] + tmp1*r[k][1] + tmp2*r[k][2]);
 426         } /* 6 nr flops */
 427         mvb = blc[b]*(tmp0*(f[i][0] - f[j][0]) +
 428                       tmp1*(f[i][1] - f[j][1]) +
 429                       tmp2*(f[i][2] - f[j][2]));
 430         rhs1[b] = mvb;
 431         sol[b]  = mvb;
 432         /* 7 flops */
 433     }
 434     /* Together: 23*ncons + 6*nrtot flops */
 435
 436     lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 437     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 438
 439     if (econq == econqDeriv_FlexCon)
 440     {
 441         /* We only want to constraint the flexible constraints,
 442          * so we mask out the normal ones by setting sol to 0.
 443          */
 444         for (b = b0; b < b1; b++)
 445         {
 446             if (!(lincsd->bllen0[b] == 0 && lincsd->ddist[b] == 0))
 447             {
 448                 sol[b] = 0;
 449             }
 450         }
 451     }
 452
 453     /* We multiply sol by blc, so we can use lincs_update_atoms for OpenMP */
 454     for (b = b0; b < b1; b++)
 455     {
 456         sol[b] *= blc[b];
 457     }
 458
 459     /* When constraining forces, we should not use mass weighting,
 460      * so we pass invmass=NULL, which results in the use of 1 for all atoms.
 461      */
 462     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, sol, r,
 463                        (econq != econqForce) ? invmass : NULL, fp);
 464
 465     if (dvdlambda != NULL)
 466     {
 467 #pragma omp barrier
 468         for (b = b0; b < b1; b++)
 469         {
 470             *dvdlambda -= sol[b]*lincsd->ddist[b];
 471         }
 472         /* 10 ncons flops */
 473     }
 474
 475     if (bCalcVir)
 476     {
 477         /* Constraint virial,
 478          * determines sum r_bond x delta f,
 479          * where delta f is the constraint correction
 480          * of the quantity that is being constrained.
 481          */
 482         for (b = b0; b < b1; b++)
 483         {
 484             mvb = lincsd->bllen[b]*sol[b];
 485             for (i = 0; i < DIM; i++)
 486             {
 487                 tmp1 = mvb*r[b][i];
 488                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 489                 {
 490                     rmdf[i][j] += tmp1*r[b][j];
 491                 }
 492             }
 493         } /* 23 ncons flops */
 494     }
 495 }
 496
 497 static void do_lincs(rvec *x, rvec *xp, matrix box, t_pbc *pbc,
 498                      struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 499                      real *invmass,
 500                      t_commrec *cr,
 501                      gmx_bool bCalcLambda,
 502                      real wangle, int *warn,
 503                      real invdt, rvec *v,
 504                      gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr)
 505 {
 506     int      b0, b1, b, i, j, k, n, iter;
 507     real     tmp0, tmp1, tmp2, im1, im2, mvb, rlen, len, len2, dlen2, wfac;
 508     rvec     dx;
 509     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 510     rvec    *r;
 511     real    *blc, *blmf, *bllen, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol, *blc_sol, *mlambda;
 512     int     *nlocat;
 513
 514     b0 = lincsd->th[th].b0;
 515     b1 = lincsd->th[th].b1;
 516
 517     bla     = lincsd->bla;
 518     r       = lincsd->tmpv;
 519     blnr    = lincsd->blnr;
 520     blbnb   = lincsd->blbnb;
 521     blc     = lincsd->blc;
 522     blmf    = lincsd->blmf;
 523     bllen   = lincsd->bllen;
 524     blcc    = lincsd->tmpncc;
 525     rhs1    = lincsd->tmp1;
 526     rhs2    = lincsd->tmp2;
 527     sol     = lincsd->tmp3;
 528     blc_sol = lincsd->tmp4;
 529     mlambda = lincsd->mlambda;
 530
 531     if (DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints)
 532     {
 533         nlocat = dd_constraints_nlocalatoms(cr->dd);
 534     }
 535     else if (PARTDECOMP(cr))
 536     {
 537         nlocat = pd_constraints_nlocalatoms(cr->pd);
 538     }
 539     else
 540     {
 541         nlocat = NULL;
 542     }
 543
 544     if (pbc)
 545     {
 546         /* Compute normalized i-j vectors */
 547         for (b = b0; b < b1; b++)
 548         {
 549             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 550             unitv(dx, r[b]);
 551         }
 552 #pragma omp barrier
 553         for (b = b0; b < b1; b++)
 554         {
 555             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 556             {
 557                 blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
 558             }
 559             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 560             mvb     = blc[b]*(iprod(r[b], dx) - bllen[b]);
 561             rhs1[b] = mvb;
 562             sol[b]  = mvb;
 563         }
 564     }
 565     else
 566     {
 567         /* Compute normalized i-j vectors */
 568         for (b = b0; b < b1; b++)
 569         {
 570             i       = bla[2*b];
 571             j       = bla[2*b+1];
 572             tmp0    = x[i][0] - x[j][0];
 573             tmp1    = x[i][1] - x[j][1];
 574             tmp2    = x[i][2] - x[j][2];
 575             rlen    = gmx_invsqrt(tmp0*tmp0+tmp1*tmp1+tmp2*tmp2);
 576             r[b][0] = rlen*tmp0;
 577             r[b][1] = rlen*tmp1;
 578             r[b][2] = rlen*tmp2;
 579         } /* 16 ncons flops */
 580
 581 #pragma omp barrier
 582         for (b = b0; b < b1; b++)
 583         {
 584             tmp0 = r[b][0];
 585             tmp1 = r[b][1];
 586             tmp2 = r[b][2];
 587             len  = bllen[b];
 588             i    = bla[2*b];
 589             j    = bla[2*b+1];
 590             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 591             {
 592                 k       = blbnb[n];
 593                 blcc[n] = blmf[n]*(tmp0*r[k][0] + tmp1*r[k][1] + tmp2*r[k][2]);
 594             } /* 6 nr flops */
 595             mvb = blc[b]*(tmp0*(xp[i][0] - xp[j][0]) +
 596                           tmp1*(xp[i][1] - xp[j][1]) +
 597                           tmp2*(xp[i][2] - xp[j][2]) - len);
 598             rhs1[b] = mvb;
 599             sol[b]  = mvb;
 600             /* 10 flops */
 601         }
 602         /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
 603     }
 604
 605     lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 606     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 607
 608     for (b = b0; b < b1; b++)
 609     {
 610         mlambda[b] = blc[b]*sol[b];
 611     }
 612
 613     /* Update the coordinates */
 614     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, mlambda, r, invmass, xp);
 615
 616     /*
 617      ********  Correction for centripetal effects  ********
 618      */
 619
 620     wfac = cos(DEG2RAD*wangle);
 621     wfac = wfac*wfac;
 622
 623     for (iter = 0; iter < lincsd->nIter; iter++)
 624     {
 625         if ((lincsd->bCommIter && DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints) ||
 626             PARTDECOMP(cr))
 627         {
 628 #pragma omp barrier
 629 #pragma omp master
 630             {
 631                 /* Communicate the corrected non-local coordinates */
 632                 if (DOMAINDECOMP(cr))
 633                 {
 634                     dd_move_x_constraints(cr->dd, box, xp, NULL);
 635                 }
 636                 else
 637                 {
 638                     pd_move_x_constraints(cr, xp, NULL);
 639                 }
 640             }
 641         }
 642
 643 #pragma omp barrier
 644         for (b = b0; b < b1; b++)
 645         {
 646             len = bllen[b];
 647             if (pbc)
 648             {
 649                 pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 650             }
 651             else
 652             {
 653                 rvec_sub(xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 654             }
 655             len2  = len*len;
 656             dlen2 = 2*len2 - norm2(dx);
 657             if (dlen2 < wfac*len2 && (nlocat == NULL || nlocat[b]))
 658             {
 659                 *warn = b;
 660             }
 661             if (dlen2 > 0)
 662             {
 663                 mvb = blc[b]*(len - dlen2*gmx_invsqrt(dlen2));
 664             }
 665             else
 666             {
 667                 mvb = blc[b]*len;
 668             }
 669             rhs1[b] = mvb;
 670             sol[b]  = mvb;
 671         } /* 20*ncons flops */
 672
 673         lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 674         /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 675
 676         for (b = b0; b < b1; b++)
 677         {
 678             mvb         = blc[b]*sol[b];
 679             blc_sol[b]  = mvb;
 680             mlambda[b] += mvb;
 681         }
 682
 683         /* Update the coordinates */
 684         lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, blc_sol, r, invmass, xp);
 685     }
 686     /* nit*ncons*(37+9*nrec) flops */
 687
 688     if (v != NULL)
 689     {
 690         /* Update the velocities */
 691         lincs_update_atoms(lincsd, th, invdt, mlambda, r, invmass, v);
 692         /* 16 ncons flops */
 693     }
 694
 695     if (nlocat != NULL && bCalcLambda)
 696     {
 697         /* In lincs_update_atoms thread might cross-read mlambda */
 698 #pragma omp barrier
 699
 700         /* Only account for local atoms */
 701         for (b = b0; b < b1; b++)
 702         {
 703             mlambda[b] *= 0.5*nlocat[b];
 704         }
 705     }
 706
 707     if (bCalcVir)
 708     {
 709         /* Constraint virial */
 710         for (b = b0; b < b1; b++)
 711         {
 712             tmp0 = -bllen[b]*mlambda[b];
 713             for (i = 0; i < DIM; i++)
 714             {
 715                 tmp1 = tmp0*r[b][i];
 716                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 717                 {
 718                     vir_r_m_dr[i][j] -= tmp1*r[b][j];
 719                 }
 720             }
 721         } /* 22 ncons flops */
 722     }
 723
 724     /* Total:
 725      * 26*ncons + 6*nrtot + nrec*(ncons+2*nrtot)
 726      * + nit * (20*ncons + nrec*(ncons+2*nrtot) + 17 ncons)
 727      *
 728      * (26+nrec)*ncons + (6+2*nrec)*nrtot
 729      * + nit * ((37+nrec)*ncons + 2*nrec*nrtot)
 730      * if nit=1
 731      * (63+nrec)*ncons + (6+4*nrec)*nrtot
 732      */
 733 }
 734
 735 void set_lincs_matrix(struct gmx_lincsdata *li, real *invmass, real lambda)
 736 {
 737     int        i, a1, a2, n, k, sign, center;
 738     int        end, nk, kk;
 739     const real invsqrt2 = 0.7071067811865475244;
 740
 741     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
 742     {
 743         a1          = li->bla[2*i];
 744         a2          = li->bla[2*i+1];
 745         li->blc[i]  = gmx_invsqrt(invmass[a1] + invmass[a2]);
 746         li->blc1[i] = invsqrt2;
 747     }
 748
 749     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
 750     li->ntriangle    = 0;
 751     li->ncc_triangle = 0;
 752     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
 753     {
 754         a1 = li->bla[2*i];
 755         a2 = li->bla[2*i+1];
 756         for (n = li->blnr[i]; (n < li->blnr[i+1]); n++)
 757         {
 758             k = li->blbnb[n];
 759             if (a1 == li->bla[2*k] || a2 == li->bla[2*k+1])
 760             {
 761                 sign = -1;
 762             }
 763             else
 764             {
 765                 sign = 1;
 766             }
 767             if (a1 == li->bla[2*k] || a1 == li->bla[2*k+1])
 768             {
 769                 center = a1;
 770                 end    = a2;
 771             }
 772             else
 773             {
 774                 center = a2;
 775                 end    = a1;
 776             }
 777             li->blmf[n]  = sign*invmass[center]*li->blc[i]*li->blc[k];
 778             li->blmf1[n] = sign*0.5;
 779             if (li->ncg_triangle > 0)
 780             {
 781                 /* Look for constraint triangles */
 782                 for (nk = li->blnr[k]; (nk < li->blnr[k+1]); nk++)
 783                 {
 784                     kk = li->blbnb[nk];
 785                     if (kk != i && kk != k &&
 786                         (li->bla[2*kk] == end || li->bla[2*kk+1] == end))
 787                     {
 788                         if (li->ntriangle == 0 ||
 789                             li->triangle[li->ntriangle-1] < i)
 790                         {
 791                             /* Add this constraint to the triangle list */
 792                             li->triangle[li->ntriangle] = i;
 793                             li->tri_bits[li->ntriangle] = 0;
 794                             li->ntriangle++;
 795                             if (li->blnr[i+1] - li->blnr[i] > sizeof(li->tri_bits[0])*8 - 1)
 796                             {
 797                                 gmx_fatal(FARGS, "A constraint is connected to %d constraints, this is more than the %d allowed for constraints participating in triangles",
 798                                           li->blnr[i+1] - li->blnr[i],
 799                                           sizeof(li->tri_bits[0])*8-1);
 800                             }
 801                         }
 802                         li->tri_bits[li->ntriangle-1] |= (1<<(n-li->blnr[i]));
 803                         li->ncc_triangle++;
 804                     }
 805                 }
 806             }
 807         }
 808     }
 809
 810     if (debug)
 811     {
 812         fprintf(debug, "Of the %d constraints %d participate in triangles\n",
 813                 li->nc, li->ntriangle);
 814         fprintf(debug, "There are %d couplings of which %d in triangles\n",
 815                 li->ncc, li->ncc_triangle);
 816     }
 817
 818     /* Set matlam,
 819      * so we know with which lambda value the masses have been set.
 820      */
 821     li->matlam = lambda;
 822 }
 823
 824 static int count_triangle_constraints(t_ilist *ilist, t_blocka *at2con)
 825 {
 826     int      ncon1, ncon_tot;
 827     int      c0, a00, a01, n1, c1, a10, a11, ac1, n2, c2, a20, a21;
 828     int      ncon_triangle;
 829     gmx_bool bTriangle;
 830     t_iatom *ia1, *ia2, *iap;
 831
 832     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
 833     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
 834
 835     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
 836     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
 837
 838     ncon_triangle = 0;
 839     for (c0 = 0; c0 < ncon_tot; c0++)
 840     {
 841         bTriangle = FALSE;
 842         iap       = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c0);
 843         a00       = iap[1];
 844         a01       = iap[2];
 845         for (n1 = at2con->index[a01]; n1 < at2con->index[a01+1]; n1++)
 846         {
 847             c1 = at2con->a[n1];
 848             if (c1 != c0)
 849             {
 850                 iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c1);
 851                 a10 = iap[1];
 852                 a11 = iap[2];
 853                 if (a10 == a01)
 854                 {
 855                     ac1 = a11;
 856                 }
 857                 else
 858                 {
 859                     ac1 = a10;
 860                 }
 861                 for (n2 = at2con->index[ac1]; n2 < at2con->index[ac1+1]; n2++)
 862                 {
 863                     c2 = at2con->a[n2];
 864                     if (c2 != c0 && c2 != c1)
 865                     {
 866                         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c2);
 867                         a20 = iap[1];
 868                         a21 = iap[2];
 869                         if (a20 == a00 || a21 == a00)
 870                         {
 871                             bTriangle = TRUE;
 872                         }
 873                     }
 874                 }
 875             }
 876         }
 877         if (bTriangle)
 878         {
 879             ncon_triangle++;
 880         }
 881     }
 882
 883     return ncon_triangle;
 884 }
 885
 886 static gmx_bool more_than_two_sequential_constraints(const t_ilist  *ilist,
 887                                                      const t_blocka *at2con)
 888 {
 889     t_iatom  *ia1, *ia2, *iap;
 890     int       ncon1, ncon_tot, c;
 891     int       a1, a2;
 892     gmx_bool  bMoreThanTwoSequentialConstraints;
 893
 894     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
 895     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
 896
 897     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
 898     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
 899
 900     bMoreThanTwoSequentialConstraints = FALSE;
 901     for (c = 0; c < ncon_tot && !bMoreThanTwoSequentialConstraints; c++)
 902     {
 903         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c);
 904         a1  = iap[1];
 905         a2  = iap[2];
 906         /* Check if this constraint has constraints connected at both atoms */
 907         if (at2con->index[a1+1] - at2con->index[a1] > 1 &&
 908             at2con->index[a2+1] - at2con->index[a2] > 1)
 909         {
 910             bMoreThanTwoSequentialConstraints = TRUE;
 911         }
 912     }
 913
 914     return bMoreThanTwoSequentialConstraints;
 915 }
 916
 917 static int int_comp(const void *a, const void *b)
 918 {
 919     return (*(int *)a) - (*(int *)b);
 920 }
 921
 922 gmx_lincsdata_t init_lincs(FILE *fplog, gmx_mtop_t *mtop,
 923                            int nflexcon_global, t_blocka *at2con,
 924                            gmx_bool bPLINCS, int nIter, int nProjOrder)
 925 {
 926     struct gmx_lincsdata *li;
 927     int                   mb;
 928     gmx_moltype_t        *molt;
 929
 930     if (fplog)
 931     {
 932         fprintf(fplog, "\nInitializing%s LINear Constraint Solver\n",
 933                 bPLINCS ? " Parallel" : "");
 934     }
 935
 936     snew(li, 1);
 937
 938     li->ncg      =
 939         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) +
 940         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC);
 941     li->ncg_flex = nflexcon_global;
 942
 943     li->nIter  = nIter;
 944     li->nOrder = nProjOrder;
 945
 946     li->ncg_triangle = 0;
 947     li->bCommIter    = FALSE;
 948     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 949     {
 950         molt              = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 951         li->ncg_triangle +=
 952             mtop->molblock[mb].nmol*
 953             count_triangle_constraints(molt->ilist,
 954                                        &at2con[mtop->molblock[mb].type]);
 955         if (bPLINCS && li->bCommIter == FALSE)
 956         {
 957             /* Check if we need to communicate not only before LINCS,
 958              * but also before each iteration.
 959              * The check for only two sequential constraints is only
 960              * useful for the common case of H-bond only constraints.
 961              * With more effort we could also make it useful for small
 962              * molecules with nr. sequential constraints <= nOrder-1.
 963              */
 964             li->bCommIter = (li->nOrder < 1 || more_than_two_sequential_constraints(molt->ilist, &at2con[mtop->molblock[mb].type]));
 965         }
 966     }
 967     if (debug && bPLINCS)
 968     {
 969         fprintf(debug, "PLINCS communication before each iteration: %d\n",
 970                 li->bCommIter);
 971     }
 972
 973     /* LINCS can run on any number of threads.
 974      * Currently the number is fixed for the whole simulation,
 975      * but it could be set in set_lincs().
 976      */
 977     li->nth = gmx_omp_nthreads_get(emntLINCS);
 978     if (li->nth == 1)
 979     {
 980         snew(li->th, 1);
 981     }
 982     else
 983     {
 984         /* Allocate an extra elements for "thread-overlap" constraints */
 985         snew(li->th, li->nth+1);
 986     }
 987     if (debug)
 988     {
 989         fprintf(debug, "LINCS: using %d threads\n", li->nth);
 990     }
 991
 992     if (bPLINCS || li->ncg_triangle > 0)
 993     {
 994         please_cite(fplog, "Hess2008a");
 995     }
 996     else
 997     {
 998         please_cite(fplog, "Hess97a");
 999     }
1000
1001     if (fplog)
1002     {
1003         fprintf(fplog, "The number of constraints is %d\n", li->ncg);
1004         if (bPLINCS)
1005         {
1006             fprintf(fplog, "There are inter charge-group constraints,\n"
1007                     "will communicate selected coordinates each lincs iteration\n");
1008         }
1009         if (li->ncg_triangle > 0)
1010         {
1011             fprintf(fplog,
1012                     "%d constraints are involved in constraint triangles,\n"
1013                     "will apply an additional matrix expansion of order %d for couplings\n"
1014                     "between constraints inside triangles\n",
1015                     li->ncg_triangle, li->nOrder);
1016         }
1017     }
1018
1019     return li;
1020 }
1021
1022 /* Sets up the work division over the threads */
1023 static void lincs_thread_setup(struct gmx_lincsdata *li, int natoms)
1024 {
1025     lincs_thread_t *li_m;
1026     int             th;
1027     unsigned       *atf;
1028     int             a;
1029
1030     if (natoms > li->atf_nalloc)
1031     {
1032         li->atf_nalloc = over_alloc_large(natoms);
1033         srenew(li->atf, li->atf_nalloc);
1034     }
1035
1036     atf = li->atf;
1037     /* Clear the atom flags */
1038     for (a = 0; a < natoms; a++)
1039     {
1040         atf[a] = 0;
1041     }
1042
1043     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1044     {
1045         lincs_thread_t *li_th;
1046         int             b;
1047
1048         li_th = &li->th[th];
1049
1050         /* The constraints are divided equally over the threads */
1051         li_th->b0 = (li->nc* th   )/li->nth;
1052         li_th->b1 = (li->nc*(th+1))/li->nth;
1053
1054         if (th < sizeof(*atf)*8)
1055         {
1056             /* For each atom set a flag for constraints from each */
1057             for (b = li_th->b0; b < li_th->b1; b++)
1058             {
1059                 atf[li->bla[b*2]  ] |= (1U<<th);
1060                 atf[li->bla[b*2+1]] |= (1U<<th);
1061             }
1062         }
1063     }
1064
1065 #pragma omp parallel for num_threads(li->nth) schedule(static)
1066     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1067     {
1068         lincs_thread_t *li_th;
1069         unsigned        mask;
1070         int             b;
1071
1072         li_th = &li->th[th];
1073
1074         if (li_th->b1 - li_th->b0 > li_th->ind_nalloc)
1075         {
1076             li_th->ind_nalloc = over_alloc_large(li_th->b1-li_th->b0);
1077             srenew(li_th->ind, li_th->ind_nalloc);
1078             srenew(li_th->ind_r, li_th->ind_nalloc);
1079         }
1080
1081         if (th < sizeof(*atf)*8)
1082         {
1083             mask = (1U<<th) - 1U;
1084
1085             li_th->nind   = 0;
1086             li_th->nind_r = 0;
1087             for (b = li_th->b0; b < li_th->b1; b++)
1088             {
1089                 /* We let the constraint with the lowest thread index
1090                  * operate on atoms with constraints from multiple threads.
1091                  */
1092                 if (((atf[li->bla[b*2]]   & mask) == 0) &&
1093                     ((atf[li->bla[b*2+1]] & mask) == 0))
1094                 {
1095                     /* Add the constraint to the local atom update index */
1096                     li_th->ind[li_th->nind++] = b;
1097                 }
1098                 else
1099                 {
1100                     /* Add the constraint to the rest block */
1101                     li_th->ind_r[li_th->nind_r++] = b;
1102                 }
1103             }
1104         }
1105         else
1106         {
1107             /* We are out of bits, assign all constraints to rest */
1108             for (b = li_th->b0; b < li_th->b1; b++)
1109             {
1110                 li_th->ind_r[li_th->nind_r++] = b;
1111             }
1112         }
1113     }
1114
1115     /* We need to copy all constraints which have not be assigned
1116      * to a thread to a separate list which will be handled by one thread.
1117      */
1118     li_m = &li->th[li->nth];
1119
1120     li_m->nind = 0;
1121     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1122     {
1123         lincs_thread_t *li_th;
1124         int             b;
1125
1126         li_th   = &li->th[th];
1127
1128         if (li_m->nind + li_th->nind_r > li_m->ind_nalloc)
1129         {
1130             li_m->ind_nalloc = over_alloc_large(li_m->nind+li_th->nind_r);
1131             srenew(li_m->ind, li_m->ind_nalloc);
1132         }
1133
1134         for (b = 0; b < li_th->nind_r; b++)
1135         {
1136             li_m->ind[li_m->nind++] = li_th->ind_r[b];
1137         }
1138
1139         if (debug)
1140         {
1141             fprintf(debug, "LINCS thread %d: %d constraints\n",
1142                     th, li_th->nind);
1143         }
1144     }
1145
1146     if (debug)
1147     {
1148         fprintf(debug, "LINCS thread r: %d constraints\n",
1149                 li_m->nind);
1150     }
1151 }
1152
1153
1154 void set_lincs(t_idef *idef, t_mdatoms *md,
1155                gmx_bool bDynamics, t_commrec *cr,
1156                struct gmx_lincsdata *li)
1157 {
1158     int          start, natoms, nflexcon;
1159     t_blocka     at2con;
1160     t_iatom     *iatom;
1161     int          i, k, ncc_alloc, ni, con, nconnect, concon;
1162     int          type, a1, a2;
1163     real         lenA = 0, lenB;
1164     gmx_bool     bLocal;
1165
1166     li->nc  = 0;
1167     li->ncc = 0;
1168     /* Zero the thread index ranges.
1169      * Otherwise without local constraints we could return with old ranges.
1170      */
1171     for (i = 0; i < li->nth; i++)
1172     {
1173         li->th[i].b0   = 0;
1174         li->th[i].b1   = 0;
1175         li->th[i].nind = 0;
1176     }
1177     if (li->nth > 1)
1178     {
1179         li->th[li->nth].nind = 0;
1180     }
1181
1182     /* This is the local topology, so there are only F_CONSTR constraints */
1183     if (idef->il[F_CONSTR].nr == 0)
1184     {
1185         /* There are no constraints,
1186          * we do not need to fill any data structures.
1187          */
1188         return;
1189     }
1190
1191     if (debug)
1192     {
1193         fprintf(debug, "Building the LINCS connectivity\n");
1194     }
1195
1196     if (DOMAINDECOMP(cr))
1197     {
1198         if (cr->dd->constraints)
1199         {
1200             dd_get_constraint_range(cr->dd, &start, &natoms);
1201         }
1202         else
1203         {
1204             natoms = cr->dd->nat_home;
1205         }
1206         start = 0;
1207     }
1208     else if (PARTDECOMP(cr))
1209     {
1210         pd_get_constraint_range(cr->pd, &start, &natoms);
1211     }
1212     else
1213     {
1214         start  = md->start;
1215         natoms = md->homenr;
1216     }
1217     at2con = make_at2con(start, natoms, idef->il, idef->iparams, bDynamics,
1218                          &nflexcon);
1219
1220
1221     if (idef->il[F_CONSTR].nr/3 > li->nc_alloc || li->nc_alloc == 0)
1222     {
1223         li->nc_alloc = over_alloc_dd(idef->il[F_CONSTR].nr/3);
1224         srenew(li->bllen0, li->nc_alloc);
1225         srenew(li->ddist, li->nc_alloc);
1226         srenew(li->bla, 2*li->nc_alloc);
1227         srenew(li->blc, li->nc_alloc);
1228         srenew(li->blc1, li->nc_alloc);
1229         srenew(li->blnr, li->nc_alloc+1);
1230         srenew(li->bllen, li->nc_alloc);
1231         srenew(li->tmpv, li->nc_alloc);
1232         srenew(li->tmp1, li->nc_alloc);
1233         srenew(li->tmp2, li->nc_alloc);
1234         srenew(li->tmp3, li->nc_alloc);
1235         srenew(li->tmp4, li->nc_alloc);
1236         srenew(li->mlambda, li->nc_alloc);
1237         if (li->ncg_triangle > 0)
1238         {
1239             /* This is allocating too much, but it is difficult to improve */
1240             srenew(li->triangle, li->nc_alloc);
1241             srenew(li->tri_bits, li->nc_alloc);
1242         }
1243     }
1244
1245     iatom = idef->il[F_CONSTR].iatoms;
1246
1247     ncc_alloc   = li->ncc_alloc;
1248     li->blnr[0] = 0;
1249
1250     ni = idef->il[F_CONSTR].nr/3;
1251
1252     con           = 0;
1253     nconnect      = 0;
1254     li->blnr[con] = nconnect;
1255     for (i = 0; i < ni; i++)
1256     {
1257         bLocal = TRUE;
1258         type   = iatom[3*i];
1259         a1     = iatom[3*i+1];
1260         a2     = iatom[3*i+2];
1261         lenA   = idef->iparams[type].constr.dA;
1262         lenB   = idef->iparams[type].constr.dB;
1263         /* Skip the flexible constraints when not doing dynamics */
1264         if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1265         {
1266             li->bllen0[con]  = lenA;
1267             li->ddist[con]   = lenB - lenA;
1268             /* Set the length to the topology A length */
1269             li->bllen[con]   = li->bllen0[con];
1270             li->bla[2*con]   = a1;
1271             li->bla[2*con+1] = a2;
1272             /* Construct the constraint connection matrix blbnb */
1273             for (k = at2con.index[a1-start]; k < at2con.index[a1-start+1]; k++)
1274             {
1275                 concon = at2con.a[k];
1276                 if (concon != i)
1277                 {
1278                     if (nconnect >= ncc_alloc)
1279                     {
1280                         ncc_alloc = over_alloc_small(nconnect+1);
1281                         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1282                     }
1283                     li->blbnb[nconnect++] = concon;
1284                 }
1285             }
1286             for (k = at2con.index[a2-start]; k < at2con.index[a2-start+1]; k++)
1287             {
1288                 concon = at2con.a[k];
1289                 if (concon != i)
1290                 {
1291                     if (nconnect+1 > ncc_alloc)
1292                     {
1293                         ncc_alloc = over_alloc_small(nconnect+1);
1294                         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1295                     }
1296                     li->blbnb[nconnect++] = concon;
1297                 }
1298             }
1299             li->blnr[con+1] = nconnect;
1300
1301             if (cr->dd == NULL)
1302             {
1303                 /* Order the blbnb matrix to optimize memory access */
1304                 qsort(&(li->blbnb[li->blnr[con]]), li->blnr[con+1]-li->blnr[con],
1305                       sizeof(li->blbnb[0]), int_comp);
1306             }
1307             /* Increase the constraint count */
1308             con++;
1309         }
1310     }
1311
1312     done_blocka(&at2con);
1313
1314     /* This is the real number of constraints,
1315      * without dynamics the flexible constraints are not present.
1316      */
1317     li->nc = con;
1318
1319     li->ncc = li->blnr[con];
1320     if (cr->dd == NULL)
1321     {
1322         /* Since the matrix is static, we can free some memory */
1323         ncc_alloc = li->ncc;
1324         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1325     }
1326
1327     if (ncc_alloc > li->ncc_alloc)
1328     {
1329         li->ncc_alloc = ncc_alloc;
1330         srenew(li->blmf, li->ncc_alloc);
1331         srenew(li->blmf1, li->ncc_alloc);
1332         srenew(li->tmpncc, li->ncc_alloc);
1333     }
1334
1335     if (debug)
1336     {
1337         fprintf(debug, "Number of constraints is %d, couplings %d\n",
1338                 li->nc, li->ncc);
1339     }
1340
1341     if (li->nth == 1)
1342     {
1343         li->th[0].b0 = 0;
1344         li->th[0].b1 = li->nc;
1345     }
1346     else
1347     {
1348         lincs_thread_setup(li, md->nr);
1349     }
1350
1351     set_lincs_matrix(li, md->invmass, md->lambda);
1352 }
1353
1354 static void lincs_warning(FILE *fplog,
1355                           gmx_domdec_t *dd, rvec *x, rvec *xprime, t_pbc *pbc,
1356                           int ncons, int *bla, real *bllen, real wangle,
1357                           int maxwarn, int *warncount)
1358 {
1359     int  b, i, j;
1360     rvec v0, v1;
1361     real wfac, d0, d1, cosine;
1362     char buf[STRLEN];
1363
1364     wfac = cos(DEG2RAD*wangle);
1365
1366     sprintf(buf, "bonds that rotated more than %g degrees:\n"
1367             " atom 1 atom 2  angle  previous, current, constraint length\n",
1368             wangle);
1369     fprintf(stderr, "%s", buf);
1370     if (fplog)
1371     {
1372         fprintf(fplog, "%s", buf);
1373     }
1374
1375     for (b = 0; b < ncons; b++)
1376     {
1377         i = bla[2*b];
1378         j = bla[2*b+1];
1379         if (pbc)
1380         {
1381             pbc_dx_aiuc(pbc, x[i], x[j], v0);
1382             pbc_dx_aiuc(pbc, xprime[i], xprime[j], v1);
1383         }
1384         else
1385         {
1386             rvec_sub(x[i], x[j], v0);
1387             rvec_sub(xprime[i], xprime[j], v1);
1388         }
1389         d0     = norm(v0);
1390         d1     = norm(v1);
1391         cosine = iprod(v0, v1)/(d0*d1);
1392         if (cosine < wfac)
1393         {
1394             sprintf(buf, " %6d %6d  %5.1f  %8.4f %8.4f    %8.4f\n",
1395                     ddglatnr(dd, i), ddglatnr(dd, j),
1396                     RAD2DEG*acos(cosine), d0, d1, bllen[b]);
1397             fprintf(stderr, "%s", buf);
1398             if (fplog)
1399             {
1400                 fprintf(fplog, "%s", buf);
1401             }
1402             if (!gmx_isfinite(d1))
1403             {
1404                 gmx_fatal(FARGS, "Bond length not finite.");
1405             }
1406
1407             (*warncount)++;
1408         }
1409     }
1410     if (*warncount > maxwarn)
1411     {
1412         too_many_constraint_warnings(econtLINCS, *warncount);
1413     }
1414 }
1415
1416 static void cconerr(gmx_domdec_t *dd,
1417                     int ncons, int *bla, real *bllen, rvec *x, t_pbc *pbc,
1418                     real *ncons_loc, real *ssd, real *max, int *imax)
1419 {
1420     real       len, d, ma, ssd2, r2;
1421     int       *nlocat, count, b, im;
1422     rvec       dx;
1423
1424     if (dd && dd->constraints)
1425     {
1426         nlocat = dd_constraints_nlocalatoms(dd);
1427     }
1428     else
1429     {
1430         nlocat = 0;
1431     }
1432
1433     ma    = 0;
1434     ssd2  = 0;
1435     im    = 0;
1436     count = 0;
1437     for (b = 0; b < ncons; b++)
1438     {
1439         if (pbc)
1440         {
1441             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
1442         }
1443         else
1444         {
1445             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
1446         }
1447         r2  = norm2(dx);
1448         len = r2*gmx_invsqrt(r2);
1449         d   = fabs(len/bllen[b]-1);
1450         if (d > ma && (nlocat == NULL || nlocat[b]))
1451         {
1452             ma = d;
1453             im = b;
1454         }
1455         if (nlocat == NULL)
1456         {
1457             ssd2 += d*d;
1458             count++;
1459         }
1460         else
1461         {
1462             ssd2  += nlocat[b]*d*d;
1463             count += nlocat[b];
1464         }
1465     }
1466
1467     *ncons_loc = (nlocat ? 0.5 : 1)*count;
1468     *ssd       = (nlocat ? 0.5 : 1)*ssd2;
1469     *max       = ma;
1470     *imax      = im;
1471 }
1472
1473 gmx_bool constrain_lincs(FILE *fplog, gmx_bool bLog, gmx_bool bEner,
1474                          t_inputrec *ir,
1475                          gmx_int64_t step,
1476                          struct gmx_lincsdata *lincsd, t_mdatoms *md,
1477                          t_commrec *cr,
1478                          rvec *x, rvec *xprime, rvec *min_proj,
1479                          matrix box, t_pbc *pbc,
1480                          real lambda, real *dvdlambda,
1481                          real invdt, rvec *v,
1482                          gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr,
1483                          int econq,
1484                          t_nrnb *nrnb,
1485                          int maxwarn, int *warncount)
1486 {
1487     char      buf[STRLEN], buf2[22], buf3[STRLEN];
1488     int       i, warn, p_imax, error;
1489     real      ncons_loc, p_ssd, p_max = 0;
1490     rvec      dx;
1491     gmx_bool  bOK;
1492
1493     bOK = TRUE;
1494
1495     if (lincsd->nc == 0 && cr->dd == NULL)
1496     {
1497         if (bLog || bEner)
1498         {
1499             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
1500             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
1501             {
1502                 i = 2;
1503             }
1504             else
1505             {
1506                 i = 1;
1507             }
1508             lincsd->rmsd_data[i] = 0;
1509         }
1510
1511         return bOK;
1512     }
1513
1514     if (econq == econqCoord)
1515     {
1516         if (ir->efep != efepNO)
1517         {
1518             if (md->nMassPerturbed && lincsd->matlam != md->lambda)
1519             {
1520                 set_lincs_matrix(lincsd, md->invmass, md->lambda);
1521             }
1522
1523             for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1524             {
1525                 lincsd->bllen[i] = lincsd->bllen0[i] + lambda*lincsd->ddist[i];
1526             }
1527         }
1528
1529         if (lincsd->ncg_flex)
1530         {
1531             /* Set the flexible constraint lengths to the old lengths */
1532             if (pbc != NULL)
1533             {
1534                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1535                 {
1536                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
1537                     {
1538                         pbc_dx_aiuc(pbc, x[lincsd->bla[2*i]], x[lincsd->bla[2*i+1]], dx);
1539                         lincsd->bllen[i] = norm(dx);
1540                     }
1541                 }
1542             }
1543             else
1544             {
1545                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1546                 {
1547                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
1548                     {
1549                         lincsd->bllen[i] =
1550                             sqrt(distance2(x[lincsd->bla[2*i]],
1551                                            x[lincsd->bla[2*i+1]]));
1552                     }
1553                 }
1554             }
1555         }
1556
1557         if (bLog && fplog)
1558         {
1559             cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1560                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1561         }
1562
1563         /* This warn var can be updated by multiple threads
1564          * at the same time. But as we only need to detect
1565          * if a warning occured or not, this is not an issue.
1566          */
1567         warn = -1;
1568
1569         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for coords */
1570 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->nth)
1571         {
1572             int th = gmx_omp_get_thread_num();
1573
1574             clear_mat(lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1575
1576             do_lincs(x, xprime, box, pbc, lincsd, th,
1577                      md->invmass, cr,
1578                      bCalcVir || (ir->efep != efepNO),
1579                      ir->LincsWarnAngle, &warn,
1580                      invdt, v, bCalcVir,
1581                      th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1582         }
1583
1584         if (ir->efep != efepNO)
1585         {
1586             real dt_2, dvdl = 0;
1587
1588             dt_2 = 1.0/(ir->delta_t*ir->delta_t);
1589             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
1590             {
1591                 dvdl -= lincsd->mlambda[i]*dt_2*lincsd->ddist[i];
1592             }
1593             *dvdlambda += dvdl;
1594         }
1595
1596         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
1597         {
1598             fprintf(fplog, "   Rel. Constraint Deviation:  RMS         MAX     between atoms\n");
1599             fprintf(fplog, "       Before LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n",
1600                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1601                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1602                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1603         }
1604         if (bLog || bEner)
1605         {
1606             cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1607                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1608             /* Check if we are doing the second part of SD */
1609             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
1610             {
1611                 i = 2;
1612             }
1613             else
1614             {
1615                 i = 1;
1616             }
1617             lincsd->rmsd_data[0] = ncons_loc;
1618             lincsd->rmsd_data[i] = p_ssd;
1619         }
1620         else
1621         {
1622             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
1623             lincsd->rmsd_data[1] = 0;
1624             lincsd->rmsd_data[2] = 0;
1625         }
1626         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
1627         {
1628             fprintf(fplog,
1629                     "        After LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n\n",
1630                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1631                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1632                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1633         }
1634
1635         if (warn >= 0)
1636         {
1637             if (maxwarn >= 0)
1638             {
1639                 cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1640                         &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1641                 if (MULTISIM(cr))
1642                 {
1643                     sprintf(buf3, " in simulation %d", cr->ms->sim);
1644                 }
1645                 else
1646                 {
1647                     buf3[0] = 0;
1648                 }
1649                 sprintf(buf, "\nStep %s, time %g (ps)  LINCS WARNING%s\n"
1650                         "relative constraint deviation after LINCS:\n"
1651                         "rms %.6f, max %.6f (between atoms %d and %d)\n",
1652                         gmx_step_str(step, buf2), ir->init_t+step*ir->delta_t,
1653                         buf3,
1654                         sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1655                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1656                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1657                 if (fplog)
1658                 {
1659                     fprintf(fplog, "%s", buf);
1660                 }
1661                 fprintf(stderr, "%s", buf);
1662                 lincs_warning(fplog, cr->dd, x, xprime, pbc,
1663                               lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen,
1664                               ir->LincsWarnAngle, maxwarn, warncount);
1665             }
1666             bOK = (p_max < 0.5);
1667         }
1668
1669         if (lincsd->ncg_flex)
1670         {
1671             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
1672             {
1673                 if (lincsd->bllen0[i] == 0 && lincsd->ddist[i] == 0)
1674                 {
1675                     lincsd->bllen[i] = 0;
1676                 }
1677             }
1678         }
1679     }
1680     else
1681     {
1682         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for derivatives */
1683 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->nth)
1684         {
1685             int th = gmx_omp_get_thread_num();
1686
1687             do_lincsp(x, xprime, min_proj, pbc, lincsd, th,
1688                       md->invmass, econq, ir->efep != efepNO ? dvdlambda : NULL,
1689                       bCalcVir, th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1690         }
1691     }
1692
1693     if (bCalcVir && lincsd->nth > 1)
1694     {
1695         for (i = 1; i < lincsd->nth; i++)
1696         {
1697             m_add(vir_r_m_dr, lincsd->th[i].vir_r_m_dr, vir_r_m_dr);
1698         }
1699     }
1700
1701     /* count assuming nit=1 */
1702     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCS, lincsd->nc);
1703     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, (2+lincsd->nOrder)*lincsd->ncc);
1704     if (lincsd->ntriangle > 0)
1705     {
1706         inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, lincsd->nOrder*lincsd->ncc_triangle);
1707     }
1708     if (v)
1709     {
1710         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_V, lincsd->nc*2);
1711     }
1712     if (bCalcVir)
1713     {
1714         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_VIR, lincsd->nc);
1715     }
1716
1717     return bOK;
1718 }