src/gromacs/mdlib/clincs.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, 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 #include "gmxpre.h"
  39
  40 #include <math.h>
  41 #include <stdlib.h>
  42
  43 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  44 #include "gromacs/legacyheaders/constr.h"
  45 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  46 #include "gromacs/legacyheaders/domdec.h"
  47 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_omp_nthreads.h"
  48 #include "gromacs/legacyheaders/mdrun.h"
  49 #include "gromacs/legacyheaders/nrnb.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  51 #include "gromacs/math/units.h"
  52 #include "gromacs/math/vec.h"
  53 #include "gromacs/mdlib/bitmask.h"
  54 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  55 #include "gromacs/topology/block.h"
  56 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  57 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  58 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  59 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  60
  61 typedef struct {
  62     int    b0;         /* first constraint for this thread */
  63     int    b1;         /* b1-1 is the last constraint for this thread */
  64     int    nind;       /* number of indices */
  65     int   *ind;        /* constraint index for updating atom data */
  66     int    nind_r;     /* number of indices */
  67     int   *ind_r;      /* constraint index for updating atom data */
  68     int    ind_nalloc; /* allocation size of ind and ind_r */
  69     tensor vir_r_m_dr; /* temporary variable for virial calculation */
  70 } lincs_thread_t;
  71
  72 typedef struct gmx_lincsdata {
  73     int             ncg;          /* the global number of constraints */
  74     int             ncg_flex;     /* the global number of flexible constraints */
  75     int             ncg_triangle; /* the global number of constraints in triangles */
  76     int             nIter;        /* the number of iterations */
  77     int             nOrder;       /* the order of the matrix expansion */
  78     int             nc;           /* the number of constraints */
  79     int             nc_alloc;     /* the number we allocated memory for */
  80     int             ncc;          /* the number of constraint connections */
  81     int             ncc_alloc;    /* the number we allocated memory for */
  82     real            matlam;       /* the FE lambda value used for filling blc and blmf */
  83     real           *bllen0;       /* the reference distance in topology A */
  84     real           *ddist;        /* the reference distance in top B - the r.d. in top A */
  85     int            *bla;          /* the atom pairs involved in the constraints */
  86     real           *blc;          /* 1/sqrt(invmass1 + invmass2) */
  87     real           *blc1;         /* as blc, but with all masses 1 */
  88     int            *blnr;         /* index into blbnb and blmf */
  89     int            *blbnb;        /* list of constraint connections */
  90     int             ntriangle;    /* the local number of constraints in triangles */
  91     int            *triangle;     /* the list of triangle constraints */
  92     int            *tri_bits;     /* the bits tell if the matrix element should be used */
  93     int             ncc_triangle; /* the number of constraint connections in triangles */
  94     gmx_bool        bCommIter;    /* communicate before each LINCS interation */
  95     real           *blmf;         /* matrix of mass factors for constraint connections */
  96     real           *blmf1;        /* as blmf, but with all masses 1 */
  97     real           *bllen;        /* the reference bond length */
  98     int             nth;          /* The number of threads doing LINCS */
  99     lincs_thread_t *th;           /* LINCS thread division */
 100     gmx_bitmask_t  *atf;          /* atom flags for thread parallelization */
 101     int             atf_nalloc;   /* allocation size of atf */
 102     /* arrays for temporary storage in the LINCS algorithm */
 103     rvec           *tmpv;
 104     real           *tmpncc;
 105     real           *tmp1;
 106     real           *tmp2;
 107     real           *tmp3;
 108     real           *tmp4;
 109     real           *mlambda; /* the Lagrange multipliers * -1 */
 110     /* storage for the constraint RMS relative deviation output */
 111     real            rmsd_data[3];
 112 } t_gmx_lincsdata;
 113
 114 real *lincs_rmsd_data(struct gmx_lincsdata *lincsd)
 115 {
 116     return lincsd->rmsd_data;
 117 }
 118
 119 real lincs_rmsd(struct gmx_lincsdata *lincsd, gmx_bool bSD2)
 120 {
 121     if (lincsd->rmsd_data[0] > 0)
 122     {
 123         return sqrt(lincsd->rmsd_data[bSD2 ? 2 : 1]/lincsd->rmsd_data[0]);
 124     }
 125     else
 126     {
 127         return 0;
 128     }
 129 }
 130
 131 /* Do a set of nrec LINCS matrix multiplications.
 132  * This function will return with up to date thread-local
 133  * constraint data, without an OpenMP barrier.
 134  */
 135 static void lincs_matrix_expand(const struct gmx_lincsdata *lincsd,
 136                                 int b0, int b1,
 137                                 const real *blcc,
 138                                 real *rhs1, real *rhs2, real *sol)
 139 {
 140     int        nrec, rec, b, j, n, nr0, nr1;
 141     real       mvb, *swap;
 142     int        ntriangle, tb, bits;
 143     const int *blnr     = lincsd->blnr, *blbnb = lincsd->blbnb;
 144     const int *triangle = lincsd->triangle, *tri_bits = lincsd->tri_bits;
 145
 146     ntriangle = lincsd->ntriangle;
 147     nrec      = lincsd->nOrder;
 148
 149     for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 150     {
 151 #pragma omp barrier
 152         for (b = b0; b < b1; b++)
 153         {
 154             mvb = 0;
 155             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 156             {
 157                 j   = blbnb[n];
 158                 mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[j];
 159             }
 160             rhs2[b] = mvb;
 161             sol[b]  = sol[b] + mvb;
 162         }
 163         swap = rhs1;
 164         rhs1 = rhs2;
 165         rhs2 = swap;
 166     } /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 167
 168     if (ntriangle > 0)
 169     {
 170         /* Perform an extra nrec recursions for only the constraints
 171          * involved in rigid triangles.
 172          * In this way their accuracy should come close to those of the other
 173          * constraints, since traingles of constraints can produce eigenvalues
 174          * around 0.7, while the effective eigenvalue for bond constraints
 175          * is around 0.4 (and 0.7*0.7=0.5).
 176          */
 177         /* We need to copy the temporary array, since only the elements
 178          * for constraints involved in triangles are updated and then
 179          * the pointers are swapped. This saving copying the whole arrary.
 180          * We need barrier as other threads might still be reading from rhs2.
 181          */
 182 #pragma omp barrier
 183         for (b = b0; b < b1; b++)
 184         {
 185             rhs2[b] = rhs1[b];
 186         }
 187 #pragma omp barrier
 188 #pragma omp master
 189         {
 190             for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 191             {
 192                 for (tb = 0; tb < ntriangle; tb++)
 193                 {
 194                     b    = triangle[tb];
 195                     bits = tri_bits[tb];
 196                     mvb  = 0;
 197                     nr0  = blnr[b];
 198                     nr1  = blnr[b+1];
 199                     for (n = nr0; n < nr1; n++)
 200                     {
 201                         if (bits & (1<<(n-nr0)))
 202                         {
 203                             j   = blbnb[n];
 204                             mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[j];
 205                         }
 206                     }
 207                     rhs2[b] = mvb;
 208                     sol[b]  = sol[b] + mvb;
 209                 }
 210                 swap = rhs1;
 211                 rhs1 = rhs2;
 212                 rhs2 = swap;
 213             }
 214         } /* flops count is missing here */
 215
 216         /* We need a barrier here as the calling routine will continue
 217          * to operate on the thread-local constraints without barrier.
 218          */
 219 #pragma omp barrier
 220     }
 221 }
 222
 223 static void lincs_update_atoms_noind(int ncons, const int *bla,
 224                                      real prefac,
 225                                      const real *fac, rvec *r,
 226                                      const real *invmass,
 227                                      rvec *x)
 228 {
 229     int  b, i, j;
 230     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 231
 232     if (invmass != NULL)
 233     {
 234         for (b = 0; b < ncons; b++)
 235         {
 236             i        = bla[2*b];
 237             j        = bla[2*b+1];
 238             mvb      = prefac*fac[b];
 239             im1      = invmass[i];
 240             im2      = invmass[j];
 241             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 242             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 243             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 244             x[i][0] -= tmp0*im1;
 245             x[i][1] -= tmp1*im1;
 246             x[i][2] -= tmp2*im1;
 247             x[j][0] += tmp0*im2;
 248             x[j][1] += tmp1*im2;
 249             x[j][2] += tmp2*im2;
 250         } /* 16 ncons flops */
 251     }
 252     else
 253     {
 254         for (b = 0; b < ncons; b++)
 255         {
 256             i        = bla[2*b];
 257             j        = bla[2*b+1];
 258             mvb      = prefac*fac[b];
 259             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 260             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 261             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 262             x[i][0] -= tmp0;
 263             x[i][1] -= tmp1;
 264             x[i][2] -= tmp2;
 265             x[j][0] += tmp0;
 266             x[j][1] += tmp1;
 267             x[j][2] += tmp2;
 268         }
 269     }
 270 }
 271
 272 static void lincs_update_atoms_ind(int ncons, const int *ind, const int *bla,
 273                                    real prefac,
 274                                    const real *fac, rvec *r,
 275                                    const real *invmass,
 276                                    rvec *x)
 277 {
 278     int  bi, b, i, j;
 279     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 280
 281     if (invmass != NULL)
 282     {
 283         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 284         {
 285             b        = ind[bi];
 286             i        = bla[2*b];
 287             j        = bla[2*b+1];
 288             mvb      = prefac*fac[b];
 289             im1      = invmass[i];
 290             im2      = invmass[j];
 291             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 292             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 293             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 294             x[i][0] -= tmp0*im1;
 295             x[i][1] -= tmp1*im1;
 296             x[i][2] -= tmp2*im1;
 297             x[j][0] += tmp0*im2;
 298             x[j][1] += tmp1*im2;
 299             x[j][2] += tmp2*im2;
 300         } /* 16 ncons flops */
 301     }
 302     else
 303     {
 304         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 305         {
 306             b        = ind[bi];
 307             i        = bla[2*b];
 308             j        = bla[2*b+1];
 309             mvb      = prefac*fac[b];
 310             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 311             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 312             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 313             x[i][0] -= tmp0;
 314             x[i][1] -= tmp1;
 315             x[i][2] -= tmp2;
 316             x[j][0] += tmp0;
 317             x[j][1] += tmp1;
 318             x[j][2] += tmp2;
 319         } /* 16 ncons flops */
 320     }
 321 }
 322
 323 static void lincs_update_atoms(struct gmx_lincsdata *li, int th,
 324                                real prefac,
 325                                const real *fac, rvec *r,
 326                                const real *invmass,
 327                                rvec *x)
 328 {
 329     if (li->nth == 1)
 330     {
 331         /* Single thread, we simply update for all constraints */
 332         lincs_update_atoms_noind(li->nc, li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 333     }
 334     else
 335     {
 336         /* Update the atom vector components for our thread local
 337          * constraints that only access our local atom range.
 338          * This can be done without a barrier.
 339          */
 340         lincs_update_atoms_ind(li->th[th].nind, li->th[th].ind,
 341                                li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 342
 343         if (li->th[li->nth].nind > 0)
 344         {
 345             /* Update the constraints that operate on atoms
 346              * in multiple thread atom blocks on the master thread.
 347              */
 348 #pragma omp barrier
 349 #pragma omp master
 350             {
 351                 lincs_update_atoms_ind(li->th[li->nth].nind,
 352                                        li->th[li->nth].ind,
 353                                        li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 354             }
 355         }
 356     }
 357 }
 358
 359 /* LINCS projection, works on derivatives of the coordinates */
 360 static void do_lincsp(rvec *x, rvec *f, rvec *fp, t_pbc *pbc,
 361                       struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 362                       real *invmass,
 363                       int econq, real *dvdlambda,
 364                       gmx_bool bCalcVir, tensor rmdf)
 365 {
 366     int      b0, b1, b, i, j, k, n;
 367     real     tmp0, tmp1, tmp2, mvb;
 368     rvec     dx;
 369     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 370     rvec    *r;
 371     real    *blc, *blmf, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol;
 372
 373     b0 = lincsd->th[th].b0;
 374     b1 = lincsd->th[th].b1;
 375
 376     bla    = lincsd->bla;
 377     r      = lincsd->tmpv;
 378     blnr   = lincsd->blnr;
 379     blbnb  = lincsd->blbnb;
 380     if (econq != econqForce)
 381     {
 382         /* Use mass-weighted parameters */
 383         blc  = lincsd->blc;
 384         blmf = lincsd->blmf;
 385     }
 386     else
 387     {
 388         /* Use non mass-weighted parameters */
 389         blc  = lincsd->blc1;
 390         blmf = lincsd->blmf1;
 391     }
 392     blcc   = lincsd->tmpncc;
 393     rhs1   = lincsd->tmp1;
 394     rhs2   = lincsd->tmp2;
 395     sol    = lincsd->tmp3;
 396
 397     /* Compute normalized i-j vectors */
 398     if (pbc)
 399     {
 400         for (b = b0; b < b1; b++)
 401         {
 402             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 403             unitv(dx, r[b]);
 404         }
 405     }
 406     else
 407     {
 408         for (b = b0; b < b1; b++)
 409         {
 410             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 411             unitv(dx, r[b]);
 412         } /* 16 ncons flops */
 413     }
 414
 415 #pragma omp barrier
 416     for (b = b0; b < b1; b++)
 417     {
 418         tmp0 = r[b][0];
 419         tmp1 = r[b][1];
 420         tmp2 = r[b][2];
 421         i    = bla[2*b];
 422         j    = bla[2*b+1];
 423         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 424         {
 425             k       = blbnb[n];
 426             blcc[n] = blmf[n]*(tmp0*r[k][0] + tmp1*r[k][1] + tmp2*r[k][2]);
 427         } /* 6 nr flops */
 428         mvb = blc[b]*(tmp0*(f[i][0] - f[j][0]) +
 429                       tmp1*(f[i][1] - f[j][1]) +
 430                       tmp2*(f[i][2] - f[j][2]));
 431         rhs1[b] = mvb;
 432         sol[b]  = mvb;
 433         /* 7 flops */
 434     }
 435     /* Together: 23*ncons + 6*nrtot flops */
 436
 437     lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 438     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 439
 440     if (econq == econqDeriv_FlexCon)
 441     {
 442         /* We only want to constraint the flexible constraints,
 443          * so we mask out the normal ones by setting sol to 0.
 444          */
 445         for (b = b0; b < b1; b++)
 446         {
 447             if (!(lincsd->bllen0[b] == 0 && lincsd->ddist[b] == 0))
 448             {
 449                 sol[b] = 0;
 450             }
 451         }
 452     }
 453
 454     /* We multiply sol by blc, so we can use lincs_update_atoms for OpenMP */
 455     for (b = b0; b < b1; b++)
 456     {
 457         sol[b] *= blc[b];
 458     }
 459
 460     /* When constraining forces, we should not use mass weighting,
 461      * so we pass invmass=NULL, which results in the use of 1 for all atoms.
 462      */
 463     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, sol, r,
 464                        (econq != econqForce) ? invmass : NULL, fp);
 465
 466     if (dvdlambda != NULL)
 467     {
 468 #pragma omp barrier
 469         for (b = b0; b < b1; b++)
 470         {
 471             *dvdlambda -= sol[b]*lincsd->ddist[b];
 472         }
 473         /* 10 ncons flops */
 474     }
 475
 476     if (bCalcVir)
 477     {
 478         /* Constraint virial,
 479          * determines sum r_bond x delta f,
 480          * where delta f is the constraint correction
 481          * of the quantity that is being constrained.
 482          */
 483         for (b = b0; b < b1; b++)
 484         {
 485             mvb = lincsd->bllen[b]*sol[b];
 486             for (i = 0; i < DIM; i++)
 487             {
 488                 tmp1 = mvb*r[b][i];
 489                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 490                 {
 491                     rmdf[i][j] += tmp1*r[b][j];
 492                 }
 493             }
 494         } /* 23 ncons flops */
 495     }
 496 }
 497
 498 static void do_lincs(rvec *x, rvec *xp, matrix box, t_pbc *pbc,
 499                      struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 500                      real *invmass,
 501                      t_commrec *cr,
 502                      gmx_bool bCalcLambda,
 503                      real wangle, int *warn,
 504                      real invdt, rvec *v,
 505                      gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr)
 506 {
 507     int      b0, b1, b, i, j, k, n, iter;
 508     real     tmp0, tmp1, tmp2, mvb, rlen, len, len2, dlen2, wfac;
 509     rvec     dx;
 510     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 511     rvec    *r;
 512     real    *blc, *blmf, *bllen, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol, *blc_sol, *mlambda;
 513     int     *nlocat;
 514
 515     b0 = lincsd->th[th].b0;
 516     b1 = lincsd->th[th].b1;
 517
 518     bla     = lincsd->bla;
 519     r       = lincsd->tmpv;
 520     blnr    = lincsd->blnr;
 521     blbnb   = lincsd->blbnb;
 522     blc     = lincsd->blc;
 523     blmf    = lincsd->blmf;
 524     bllen   = lincsd->bllen;
 525     blcc    = lincsd->tmpncc;
 526     rhs1    = lincsd->tmp1;
 527     rhs2    = lincsd->tmp2;
 528     sol     = lincsd->tmp3;
 529     blc_sol = lincsd->tmp4;
 530     mlambda = lincsd->mlambda;
 531
 532     if (DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints)
 533     {
 534         nlocat = dd_constraints_nlocalatoms(cr->dd);
 535     }
 536     else
 537     {
 538         nlocat = NULL;
 539     }
 540
 541     if (pbc)
 542     {
 543         /* Compute normalized i-j vectors */
 544         for (b = b0; b < b1; b++)
 545         {
 546             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 547             unitv(dx, r[b]);
 548         }
 549 #pragma omp barrier
 550         for (b = b0; b < b1; b++)
 551         {
 552             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 553             {
 554                 blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
 555             }
 556             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 557             mvb     = blc[b]*(iprod(r[b], dx) - bllen[b]);
 558             rhs1[b] = mvb;
 559             sol[b]  = mvb;
 560         }
 561     }
 562     else
 563     {
 564         /* Compute normalized i-j vectors */
 565         for (b = b0; b < b1; b++)
 566         {
 567             i       = bla[2*b];
 568             j       = bla[2*b+1];
 569             tmp0    = x[i][0] - x[j][0];
 570             tmp1    = x[i][1] - x[j][1];
 571             tmp2    = x[i][2] - x[j][2];
 572             rlen    = gmx_invsqrt(tmp0*tmp0+tmp1*tmp1+tmp2*tmp2);
 573             r[b][0] = rlen*tmp0;
 574             r[b][1] = rlen*tmp1;
 575             r[b][2] = rlen*tmp2;
 576         } /* 16 ncons flops */
 577
 578 #pragma omp barrier
 579         for (b = b0; b < b1; b++)
 580         {
 581             tmp0 = r[b][0];
 582             tmp1 = r[b][1];
 583             tmp2 = r[b][2];
 584             len  = bllen[b];
 585             i    = bla[2*b];
 586             j    = bla[2*b+1];
 587             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 588             {
 589                 k       = blbnb[n];
 590                 blcc[n] = blmf[n]*(tmp0*r[k][0] + tmp1*r[k][1] + tmp2*r[k][2]);
 591             } /* 6 nr flops */
 592             mvb = blc[b]*(tmp0*(xp[i][0] - xp[j][0]) +
 593                           tmp1*(xp[i][1] - xp[j][1]) +
 594                           tmp2*(xp[i][2] - xp[j][2]) - len);
 595             rhs1[b] = mvb;
 596             sol[b]  = mvb;
 597             /* 10 flops */
 598         }
 599         /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
 600     }
 601
 602     lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 603     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 604
 605     for (b = b0; b < b1; b++)
 606     {
 607         mlambda[b] = blc[b]*sol[b];
 608     }
 609
 610     /* Update the coordinates */
 611     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, mlambda, r, invmass, xp);
 612
 613     /*
 614      ********  Correction for centripetal effects  ********
 615      */
 616
 617     wfac = cos(DEG2RAD*wangle);
 618     wfac = wfac*wfac;
 619
 620     for (iter = 0; iter < lincsd->nIter; iter++)
 621     {
 622         if ((lincsd->bCommIter && DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints))
 623         {
 624 #pragma omp barrier
 625 #pragma omp master
 626             {
 627                 /* Communicate the corrected non-local coordinates */
 628                 if (DOMAINDECOMP(cr))
 629                 {
 630                     dd_move_x_constraints(cr->dd, box, xp, NULL, FALSE);
 631                 }
 632             }
 633         }
 634
 635 #pragma omp barrier
 636         for (b = b0; b < b1; b++)
 637         {
 638             len = bllen[b];
 639             if (pbc)
 640             {
 641                 pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 642             }
 643             else
 644             {
 645                 rvec_sub(xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 646             }
 647             len2  = len*len;
 648             dlen2 = 2*len2 - norm2(dx);
 649             if (dlen2 < wfac*len2 && (nlocat == NULL || nlocat[b]))
 650             {
 651                 /* not race free - see detailed comment in caller */
 652                 *warn = b;
 653             }
 654             if (dlen2 > 0)
 655             {
 656                 mvb = blc[b]*(len - dlen2*gmx_invsqrt(dlen2));
 657             }
 658             else
 659             {
 660                 mvb = blc[b]*len;
 661             }
 662             rhs1[b] = mvb;
 663             sol[b]  = mvb;
 664         } /* 20*ncons flops */
 665
 666         lincs_matrix_expand(lincsd, b0, b1, blcc, rhs1, rhs2, sol);
 667         /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 668
 669         for (b = b0; b < b1; b++)
 670         {
 671             mvb         = blc[b]*sol[b];
 672             blc_sol[b]  = mvb;
 673             mlambda[b] += mvb;
 674         }
 675
 676         /* Update the coordinates */
 677         lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, blc_sol, r, invmass, xp);
 678     }
 679     /* nit*ncons*(37+9*nrec) flops */
 680
 681     if (v != NULL)
 682     {
 683         /* Update the velocities */
 684         lincs_update_atoms(lincsd, th, invdt, mlambda, r, invmass, v);
 685         /* 16 ncons flops */
 686     }
 687
 688     if (nlocat != NULL && bCalcLambda)
 689     {
 690         /* In lincs_update_atoms thread might cross-read mlambda */
 691 #pragma omp barrier
 692
 693         /* Only account for local atoms */
 694         for (b = b0; b < b1; b++)
 695         {
 696             mlambda[b] *= 0.5*nlocat[b];
 697         }
 698     }
 699
 700     if (bCalcVir)
 701     {
 702         /* Constraint virial */
 703         for (b = b0; b < b1; b++)
 704         {
 705             tmp0 = -bllen[b]*mlambda[b];
 706             for (i = 0; i < DIM; i++)
 707             {
 708                 tmp1 = tmp0*r[b][i];
 709                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 710                 {
 711                     vir_r_m_dr[i][j] -= tmp1*r[b][j];
 712                 }
 713             }
 714         } /* 22 ncons flops */
 715     }
 716
 717     /* Total:
 718      * 26*ncons + 6*nrtot + nrec*(ncons+2*nrtot)
 719      * + nit * (20*ncons + nrec*(ncons+2*nrtot) + 17 ncons)
 720      *
 721      * (26+nrec)*ncons + (6+2*nrec)*nrtot
 722      * + nit * ((37+nrec)*ncons + 2*nrec*nrtot)
 723      * if nit=1
 724      * (63+nrec)*ncons + (6+4*nrec)*nrtot
 725      */
 726 }
 727
 728 void set_lincs_matrix(struct gmx_lincsdata *li, real *invmass, real lambda)
 729 {
 730     int        i, a1, a2, n, k, sign, center;
 731     int        end, nk, kk;
 732     const real invsqrt2 = 0.7071067811865475244;
 733
 734     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
 735     {
 736         a1          = li->bla[2*i];
 737         a2          = li->bla[2*i+1];
 738         li->blc[i]  = gmx_invsqrt(invmass[a1] + invmass[a2]);
 739         li->blc1[i] = invsqrt2;
 740     }
 741
 742     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
 743     li->ntriangle    = 0;
 744     li->ncc_triangle = 0;
 745     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
 746     {
 747         a1 = li->bla[2*i];
 748         a2 = li->bla[2*i+1];
 749         for (n = li->blnr[i]; (n < li->blnr[i+1]); n++)
 750         {
 751             k = li->blbnb[n];
 752             if (a1 == li->bla[2*k] || a2 == li->bla[2*k+1])
 753             {
 754                 sign = -1;
 755             }
 756             else
 757             {
 758                 sign = 1;
 759             }
 760             if (a1 == li->bla[2*k] || a1 == li->bla[2*k+1])
 761             {
 762                 center = a1;
 763                 end    = a2;
 764             }
 765             else
 766             {
 767                 center = a2;
 768                 end    = a1;
 769             }
 770             li->blmf[n]  = sign*invmass[center]*li->blc[i]*li->blc[k];
 771             li->blmf1[n] = sign*0.5;
 772             if (li->ncg_triangle > 0)
 773             {
 774                 /* Look for constraint triangles */
 775                 for (nk = li->blnr[k]; (nk < li->blnr[k+1]); nk++)
 776                 {
 777                     kk = li->blbnb[nk];
 778                     if (kk != i && kk != k &&
 779                         (li->bla[2*kk] == end || li->bla[2*kk+1] == end))
 780                     {
 781                         if (li->ntriangle == 0 ||
 782                             li->triangle[li->ntriangle-1] < i)
 783                         {
 784                             /* Add this constraint to the triangle list */
 785                             li->triangle[li->ntriangle] = i;
 786                             li->tri_bits[li->ntriangle] = 0;
 787                             li->ntriangle++;
 788                             if (li->blnr[i+1] - li->blnr[i] > static_cast<int>(sizeof(li->tri_bits[0])*8 - 1))
 789                             {
 790                                 gmx_fatal(FARGS, "A constraint is connected to %d constraints, this is more than the %d allowed for constraints participating in triangles",
 791                                           li->blnr[i+1] - li->blnr[i],
 792                                           sizeof(li->tri_bits[0])*8-1);
 793                             }
 794                         }
 795                         li->tri_bits[li->ntriangle-1] |= (1<<(n-li->blnr[i]));
 796                         li->ncc_triangle++;
 797                     }
 798                 }
 799             }
 800         }
 801     }
 802
 803     if (debug)
 804     {
 805         fprintf(debug, "Of the %d constraints %d participate in triangles\n",
 806                 li->nc, li->ntriangle);
 807         fprintf(debug, "There are %d couplings of which %d in triangles\n",
 808                 li->ncc, li->ncc_triangle);
 809     }
 810
 811     /* Set matlam,
 812      * so we know with which lambda value the masses have been set.
 813      */
 814     li->matlam = lambda;
 815 }
 816
 817 static int count_triangle_constraints(t_ilist *ilist, t_blocka *at2con)
 818 {
 819     int      ncon1, ncon_tot;
 820     int      c0, a00, a01, n1, c1, a10, a11, ac1, n2, c2, a20, a21;
 821     int      ncon_triangle;
 822     gmx_bool bTriangle;
 823     t_iatom *ia1, *ia2, *iap;
 824
 825     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
 826     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
 827
 828     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
 829     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
 830
 831     ncon_triangle = 0;
 832     for (c0 = 0; c0 < ncon_tot; c0++)
 833     {
 834         bTriangle = FALSE;
 835         iap       = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c0);
 836         a00       = iap[1];
 837         a01       = iap[2];
 838         for (n1 = at2con->index[a01]; n1 < at2con->index[a01+1]; n1++)
 839         {
 840             c1 = at2con->a[n1];
 841             if (c1 != c0)
 842             {
 843                 iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c1);
 844                 a10 = iap[1];
 845                 a11 = iap[2];
 846                 if (a10 == a01)
 847                 {
 848                     ac1 = a11;
 849                 }
 850                 else
 851                 {
 852                     ac1 = a10;
 853                 }
 854                 for (n2 = at2con->index[ac1]; n2 < at2con->index[ac1+1]; n2++)
 855                 {
 856                     c2 = at2con->a[n2];
 857                     if (c2 != c0 && c2 != c1)
 858                     {
 859                         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c2);
 860                         a20 = iap[1];
 861                         a21 = iap[2];
 862                         if (a20 == a00 || a21 == a00)
 863                         {
 864                             bTriangle = TRUE;
 865                         }
 866                     }
 867                 }
 868             }
 869         }
 870         if (bTriangle)
 871         {
 872             ncon_triangle++;
 873         }
 874     }
 875
 876     return ncon_triangle;
 877 }
 878
 879 static gmx_bool more_than_two_sequential_constraints(const t_ilist  *ilist,
 880                                                      const t_blocka *at2con)
 881 {
 882     t_iatom  *ia1, *ia2, *iap;
 883     int       ncon1, ncon_tot, c;
 884     int       a1, a2;
 885     gmx_bool  bMoreThanTwoSequentialConstraints;
 886
 887     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
 888     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
 889
 890     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
 891     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
 892
 893     bMoreThanTwoSequentialConstraints = FALSE;
 894     for (c = 0; c < ncon_tot && !bMoreThanTwoSequentialConstraints; c++)
 895     {
 896         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c);
 897         a1  = iap[1];
 898         a2  = iap[2];
 899         /* Check if this constraint has constraints connected at both atoms */
 900         if (at2con->index[a1+1] - at2con->index[a1] > 1 &&
 901             at2con->index[a2+1] - at2con->index[a2] > 1)
 902         {
 903             bMoreThanTwoSequentialConstraints = TRUE;
 904         }
 905     }
 906
 907     return bMoreThanTwoSequentialConstraints;
 908 }
 909
 910 static int int_comp(const void *a, const void *b)
 911 {
 912     return (*(int *)a) - (*(int *)b);
 913 }
 914
 915 gmx_lincsdata_t init_lincs(FILE *fplog, gmx_mtop_t *mtop,
 916                            int nflexcon_global, t_blocka *at2con,
 917                            gmx_bool bPLINCS, int nIter, int nProjOrder)
 918 {
 919     struct gmx_lincsdata *li;
 920     int                   mb;
 921     gmx_moltype_t        *molt;
 922
 923     if (fplog)
 924     {
 925         fprintf(fplog, "\nInitializing%s LINear Constraint Solver\n",
 926                 bPLINCS ? " Parallel" : "");
 927     }
 928
 929     snew(li, 1);
 930
 931     li->ncg      =
 932         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) +
 933         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC);
 934     li->ncg_flex = nflexcon_global;
 935
 936     li->nIter  = nIter;
 937     li->nOrder = nProjOrder;
 938
 939     li->ncg_triangle = 0;
 940     li->bCommIter    = FALSE;
 941     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 942     {
 943         molt              = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 944         li->ncg_triangle +=
 945             mtop->molblock[mb].nmol*
 946             count_triangle_constraints(molt->ilist,
 947                                        &at2con[mtop->molblock[mb].type]);
 948         if (bPLINCS && li->bCommIter == FALSE)
 949         {
 950             /* Check if we need to communicate not only before LINCS,
 951              * but also before each iteration.
 952              * The check for only two sequential constraints is only
 953              * useful for the common case of H-bond only constraints.
 954              * With more effort we could also make it useful for small
 955              * molecules with nr. sequential constraints <= nOrder-1.
 956              */
 957             li->bCommIter = (li->nOrder < 1 || more_than_two_sequential_constraints(molt->ilist, &at2con[mtop->molblock[mb].type]));
 958         }
 959     }
 960     if (debug && bPLINCS)
 961     {
 962         fprintf(debug, "PLINCS communication before each iteration: %d\n",
 963                 li->bCommIter);
 964     }
 965
 966     /* LINCS can run on any number of threads.
 967      * Currently the number is fixed for the whole simulation,
 968      * but it could be set in set_lincs().
 969      */
 970     li->nth = gmx_omp_nthreads_get(emntLINCS);
 971     if (li->nth == 1)
 972     {
 973         snew(li->th, 1);
 974     }
 975     else
 976     {
 977         /* Allocate an extra elements for "thread-overlap" constraints */
 978         snew(li->th, li->nth+1);
 979     }
 980     if (debug)
 981     {
 982         fprintf(debug, "LINCS: using %d threads\n", li->nth);
 983     }
 984
 985     if (bPLINCS || li->ncg_triangle > 0)
 986     {
 987         please_cite(fplog, "Hess2008a");
 988     }
 989     else
 990     {
 991         please_cite(fplog, "Hess97a");
 992     }
 993
 994     if (fplog)
 995     {
 996         fprintf(fplog, "The number of constraints is %d\n", li->ncg);
 997         if (bPLINCS)
 998         {
 999             fprintf(fplog, "There are inter charge-group constraints,\n"
1000                     "will communicate selected coordinates each lincs iteration\n");
1001         }
1002         if (li->ncg_triangle > 0)
1003         {
1004             fprintf(fplog,
1005                     "%d constraints are involved in constraint triangles,\n"
1006                     "will apply an additional matrix expansion of order %d for couplings\n"
1007                     "between constraints inside triangles\n",
1008                     li->ncg_triangle, li->nOrder);
1009         }
1010     }
1011
1012     return li;
1013 }
1014
1015 /* Sets up the work division over the threads */
1016 static void lincs_thread_setup(struct gmx_lincsdata *li, int natoms)
1017 {
1018     lincs_thread_t *li_m;
1019     int             th;
1020     gmx_bitmask_t  *atf;
1021     int             a;
1022
1023     if (natoms > li->atf_nalloc)
1024     {
1025         li->atf_nalloc = over_alloc_large(natoms);
1026         srenew(li->atf, li->atf_nalloc);
1027     }
1028
1029     atf = li->atf;
1030     /* Clear the atom flags */
1031     for (a = 0; a < natoms; a++)
1032     {
1033         bitmask_clear(&atf[a]);
1034     }
1035
1036     if (li->nth > BITMASK_SIZE)
1037     {
1038         gmx_fatal(FARGS, "More than %d threads is not supported for LINCS.", BITMASK_SIZE);
1039     }
1040
1041     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1042     {
1043         lincs_thread_t *li_th;
1044         int             b;
1045
1046         li_th = &li->th[th];
1047
1048         /* The constraints are divided equally over the threads */
1049         li_th->b0 = (li->nc* th   )/li->nth;
1050         li_th->b1 = (li->nc*(th+1))/li->nth;
1051
1052         /* For each atom set a flag for constraints from each */
1053         for (b = li_th->b0; b < li_th->b1; b++)
1054         {
1055             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2]], th);
1056             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2+1]], th);
1057         }
1058     }
1059
1060 #pragma omp parallel for num_threads(li->nth) schedule(static)
1061     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1062     {
1063         lincs_thread_t *li_th;
1064         gmx_bitmask_t   mask;
1065         int             b;
1066
1067         li_th = &li->th[th];
1068
1069         if (li_th->b1 - li_th->b0 > li_th->ind_nalloc)
1070         {
1071             li_th->ind_nalloc = over_alloc_large(li_th->b1-li_th->b0);
1072             srenew(li_th->ind, li_th->ind_nalloc);
1073             srenew(li_th->ind_r, li_th->ind_nalloc);
1074         }
1075
1076         bitmask_init_low_bits(&mask, th);
1077
1078         li_th->nind   = 0;
1079         li_th->nind_r = 0;
1080         for (b = li_th->b0; b < li_th->b1; b++)
1081         {
1082             /* We let the constraint with the lowest thread index
1083              * operate on atoms with constraints from multiple threads.
1084              */
1085             if (bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2]], mask) &&
1086                 bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2+1]], mask))
1087             {
1088                 /* Add the constraint to the local atom update index */
1089                 li_th->ind[li_th->nind++] = b;
1090             }
1091             else
1092             {
1093                 /* Add the constraint to the rest block */
1094                 li_th->ind_r[li_th->nind_r++] = b;
1095             }
1096         }
1097     }
1098
1099     /* We need to copy all constraints which have not be assigned
1100      * to a thread to a separate list which will be handled by one thread.
1101      */
1102     li_m = &li->th[li->nth];
1103
1104     li_m->nind = 0;
1105     for (th = 0; th < li->nth; th++)
1106     {
1107         lincs_thread_t *li_th;
1108         int             b;
1109
1110         li_th   = &li->th[th];
1111
1112         if (li_m->nind + li_th->nind_r > li_m->ind_nalloc)
1113         {
1114             li_m->ind_nalloc = over_alloc_large(li_m->nind+li_th->nind_r);
1115             srenew(li_m->ind, li_m->ind_nalloc);
1116         }
1117
1118         for (b = 0; b < li_th->nind_r; b++)
1119         {
1120             li_m->ind[li_m->nind++] = li_th->ind_r[b];
1121         }
1122
1123         if (debug)
1124         {
1125             fprintf(debug, "LINCS thread %d: %d constraints\n",
1126                     th, li_th->nind);
1127         }
1128     }
1129
1130     if (debug)
1131     {
1132         fprintf(debug, "LINCS thread r: %d constraints\n",
1133                 li_m->nind);
1134     }
1135 }
1136
1137
1138 void set_lincs(t_idef *idef, t_mdatoms *md,
1139                gmx_bool bDynamics, t_commrec *cr,
1140                struct gmx_lincsdata *li)
1141 {
1142     int          start, natoms, nflexcon;
1143     t_blocka     at2con;
1144     t_iatom     *iatom;
1145     int          i, k, ncc_alloc, ni, con, nconnect, concon;
1146     int          type, a1, a2;
1147     real         lenA = 0, lenB;
1148
1149     li->nc  = 0;
1150     li->ncc = 0;
1151     /* Zero the thread index ranges.
1152      * Otherwise without local constraints we could return with old ranges.
1153      */
1154     for (i = 0; i < li->nth; i++)
1155     {
1156         li->th[i].b0   = 0;
1157         li->th[i].b1   = 0;
1158         li->th[i].nind = 0;
1159     }
1160     if (li->nth > 1)
1161     {
1162         li->th[li->nth].nind = 0;
1163     }
1164
1165     /* This is the local topology, so there are only F_CONSTR constraints */
1166     if (idef->il[F_CONSTR].nr == 0)
1167     {
1168         /* There are no constraints,
1169          * we do not need to fill any data structures.
1170          */
1171         return;
1172     }
1173
1174     if (debug)
1175     {
1176         fprintf(debug, "Building the LINCS connectivity\n");
1177     }
1178
1179     if (DOMAINDECOMP(cr))
1180     {
1181         if (cr->dd->constraints)
1182         {
1183             dd_get_constraint_range(cr->dd, &start, &natoms);
1184         }
1185         else
1186         {
1187             natoms = cr->dd->nat_home;
1188         }
1189         start = 0;
1190     }
1191     else
1192     {
1193         start  = 0;
1194         natoms = md->homenr;
1195     }
1196     at2con = make_at2con(start, natoms, idef->il, idef->iparams, bDynamics,
1197                          &nflexcon);
1198
1199
1200     if (idef->il[F_CONSTR].nr/3 > li->nc_alloc || li->nc_alloc == 0)
1201     {
1202         li->nc_alloc = over_alloc_dd(idef->il[F_CONSTR].nr/3);
1203         srenew(li->bllen0, li->nc_alloc);
1204         srenew(li->ddist, li->nc_alloc);
1205         srenew(li->bla, 2*li->nc_alloc);
1206         srenew(li->blc, li->nc_alloc);
1207         srenew(li->blc1, li->nc_alloc);
1208         srenew(li->blnr, li->nc_alloc+1);
1209         srenew(li->bllen, li->nc_alloc);
1210         srenew(li->tmpv, li->nc_alloc);
1211         srenew(li->tmp1, li->nc_alloc);
1212         srenew(li->tmp2, li->nc_alloc);
1213         srenew(li->tmp3, li->nc_alloc);
1214         srenew(li->tmp4, li->nc_alloc);
1215         srenew(li->mlambda, li->nc_alloc);
1216         if (li->ncg_triangle > 0)
1217         {
1218             /* This is allocating too much, but it is difficult to improve */
1219             srenew(li->triangle, li->nc_alloc);
1220             srenew(li->tri_bits, li->nc_alloc);
1221         }
1222     }
1223
1224     iatom = idef->il[F_CONSTR].iatoms;
1225
1226     ncc_alloc   = li->ncc_alloc;
1227     li->blnr[0] = 0;
1228
1229     ni = idef->il[F_CONSTR].nr/3;
1230
1231     con           = 0;
1232     nconnect      = 0;
1233     li->blnr[con] = nconnect;
1234     for (i = 0; i < ni; i++)
1235     {
1236         type   = iatom[3*i];
1237         a1     = iatom[3*i+1];
1238         a2     = iatom[3*i+2];
1239         lenA   = idef->iparams[type].constr.dA;
1240         lenB   = idef->iparams[type].constr.dB;
1241         /* Skip the flexible constraints when not doing dynamics */
1242         if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1243         {
1244             li->bllen0[con]  = lenA;
1245             li->ddist[con]   = lenB - lenA;
1246             /* Set the length to the topology A length */
1247             li->bllen[con]   = li->bllen0[con];
1248             li->bla[2*con]   = a1;
1249             li->bla[2*con+1] = a2;
1250             /* Construct the constraint connection matrix blbnb */
1251             for (k = at2con.index[a1-start]; k < at2con.index[a1-start+1]; k++)
1252             {
1253                 concon = at2con.a[k];
1254                 if (concon != i)
1255                 {
1256                     if (nconnect >= ncc_alloc)
1257                     {
1258                         ncc_alloc = over_alloc_small(nconnect+1);
1259                         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1260                     }
1261                     li->blbnb[nconnect++] = concon;
1262                 }
1263             }
1264             for (k = at2con.index[a2-start]; k < at2con.index[a2-start+1]; k++)
1265             {
1266                 concon = at2con.a[k];
1267                 if (concon != i)
1268                 {
1269                     if (nconnect+1 > ncc_alloc)
1270                     {
1271                         ncc_alloc = over_alloc_small(nconnect+1);
1272                         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1273                     }
1274                     li->blbnb[nconnect++] = concon;
1275                 }
1276             }
1277             li->blnr[con+1] = nconnect;
1278
1279             if (cr->dd == NULL)
1280             {
1281                 /* Order the blbnb matrix to optimize memory access */
1282                 qsort(&(li->blbnb[li->blnr[con]]), li->blnr[con+1]-li->blnr[con],
1283                       sizeof(li->blbnb[0]), int_comp);
1284             }
1285             /* Increase the constraint count */
1286             con++;
1287         }
1288     }
1289
1290     done_blocka(&at2con);
1291
1292     /* This is the real number of constraints,
1293      * without dynamics the flexible constraints are not present.
1294      */
1295     li->nc = con;
1296
1297     li->ncc = li->blnr[con];
1298     if (cr->dd == NULL)
1299     {
1300         /* Since the matrix is static, we can free some memory */
1301         ncc_alloc = li->ncc;
1302         srenew(li->blbnb, ncc_alloc);
1303     }
1304
1305     if (ncc_alloc > li->ncc_alloc)
1306     {
1307         li->ncc_alloc = ncc_alloc;
1308         srenew(li->blmf, li->ncc_alloc);
1309         srenew(li->blmf1, li->ncc_alloc);
1310         srenew(li->tmpncc, li->ncc_alloc);
1311     }
1312
1313     if (debug)
1314     {
1315         fprintf(debug, "Number of constraints is %d, couplings %d\n",
1316                 li->nc, li->ncc);
1317     }
1318
1319     if (li->nth == 1)
1320     {
1321         li->th[0].b0 = 0;
1322         li->th[0].b1 = li->nc;
1323     }
1324     else
1325     {
1326         lincs_thread_setup(li, md->nr);
1327     }
1328
1329     set_lincs_matrix(li, md->invmass, md->lambda);
1330 }
1331
1332 static void lincs_warning(FILE *fplog,
1333                           gmx_domdec_t *dd, rvec *x, rvec *xprime, t_pbc *pbc,
1334                           int ncons, int *bla, real *bllen, real wangle,
1335                           int maxwarn, int *warncount)
1336 {
1337     int  b, i, j;
1338     rvec v0, v1;
1339     real wfac, d0, d1, cosine;
1340     char buf[STRLEN];
1341
1342     wfac = cos(DEG2RAD*wangle);
1343
1344     sprintf(buf, "bonds that rotated more than %g degrees:\n"
1345             " atom 1 atom 2  angle  previous, current, constraint length\n",
1346             wangle);
1347     fprintf(stderr, "%s", buf);
1348     if (fplog)
1349     {
1350         fprintf(fplog, "%s", buf);
1351     }
1352
1353     for (b = 0; b < ncons; b++)
1354     {
1355         i = bla[2*b];
1356         j = bla[2*b+1];
1357         if (pbc)
1358         {
1359             pbc_dx_aiuc(pbc, x[i], x[j], v0);
1360             pbc_dx_aiuc(pbc, xprime[i], xprime[j], v1);
1361         }
1362         else
1363         {
1364             rvec_sub(x[i], x[j], v0);
1365             rvec_sub(xprime[i], xprime[j], v1);
1366         }
1367         d0     = norm(v0);
1368         d1     = norm(v1);
1369         cosine = iprod(v0, v1)/(d0*d1);
1370         if (cosine < wfac)
1371         {
1372             sprintf(buf, " %6d %6d  %5.1f  %8.4f %8.4f    %8.4f\n",
1373                     ddglatnr(dd, i), ddglatnr(dd, j),
1374                     RAD2DEG*acos(cosine), d0, d1, bllen[b]);
1375             fprintf(stderr, "%s", buf);
1376             if (fplog)
1377             {
1378                 fprintf(fplog, "%s", buf);
1379             }
1380             if (!gmx_isfinite(d1))
1381             {
1382                 gmx_fatal(FARGS, "Bond length not finite.");
1383             }
1384
1385             (*warncount)++;
1386         }
1387     }
1388     if (*warncount > maxwarn)
1389     {
1390         too_many_constraint_warnings(econtLINCS, *warncount);
1391     }
1392 }
1393
1394 static void cconerr(gmx_domdec_t *dd,
1395                     int ncons, int *bla, real *bllen, rvec *x, t_pbc *pbc,
1396                     real *ncons_loc, real *ssd, real *max, int *imax)
1397 {
1398     real       len, d, ma, ssd2, r2;
1399     int       *nlocat, count, b, im;
1400     rvec       dx;
1401
1402     if (dd && dd->constraints)
1403     {
1404         nlocat = dd_constraints_nlocalatoms(dd);
1405     }
1406     else
1407     {
1408         nlocat = 0;
1409     }
1410
1411     ma    = 0;
1412     ssd2  = 0;
1413     im    = 0;
1414     count = 0;
1415     for (b = 0; b < ncons; b++)
1416     {
1417         if (pbc)
1418         {
1419             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
1420         }
1421         else
1422         {
1423             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
1424         }
1425         r2  = norm2(dx);
1426         len = r2*gmx_invsqrt(r2);
1427         d   = fabs(len/bllen[b]-1);
1428         if (d > ma && (nlocat == NULL || nlocat[b]))
1429         {
1430             ma = d;
1431             im = b;
1432         }
1433         if (nlocat == NULL)
1434         {
1435             ssd2 += d*d;
1436             count++;
1437         }
1438         else
1439         {
1440             ssd2  += nlocat[b]*d*d;
1441             count += nlocat[b];
1442         }
1443     }
1444
1445     *ncons_loc = (nlocat ? 0.5 : 1)*count;
1446     *ssd       = (nlocat ? 0.5 : 1)*ssd2;
1447     *max       = ma;
1448     *imax      = im;
1449 }
1450
1451 gmx_bool constrain_lincs(FILE *fplog, gmx_bool bLog, gmx_bool bEner,
1452                          t_inputrec *ir,
1453                          gmx_int64_t step,
1454                          struct gmx_lincsdata *lincsd, t_mdatoms *md,
1455                          t_commrec *cr,
1456                          rvec *x, rvec *xprime, rvec *min_proj,
1457                          matrix box, t_pbc *pbc,
1458                          real lambda, real *dvdlambda,
1459                          real invdt, rvec *v,
1460                          gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr,
1461                          int econq,
1462                          t_nrnb *nrnb,
1463                          int maxwarn, int *warncount)
1464 {
1465     char      buf[STRLEN], buf2[22], buf3[STRLEN];
1466     int       i, warn, p_imax;
1467     real      ncons_loc, p_ssd, p_max = 0;
1468     rvec      dx;
1469     gmx_bool  bOK;
1470
1471     bOK = TRUE;
1472
1473     if (lincsd->nc == 0 && cr->dd == NULL)
1474     {
1475         if (bLog || bEner)
1476         {
1477             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
1478             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
1479             {
1480                 i = 2;
1481             }
1482             else
1483             {
1484                 i = 1;
1485             }
1486             lincsd->rmsd_data[i] = 0;
1487         }
1488
1489         return bOK;
1490     }
1491
1492     if (econq == econqCoord)
1493     {
1494         if (ir->efep != efepNO)
1495         {
1496             if (md->nMassPerturbed && lincsd->matlam != md->lambda)
1497             {
1498                 set_lincs_matrix(lincsd, md->invmass, md->lambda);
1499             }
1500
1501             for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1502             {
1503                 lincsd->bllen[i] = lincsd->bllen0[i] + lambda*lincsd->ddist[i];
1504             }
1505         }
1506
1507         if (lincsd->ncg_flex)
1508         {
1509             /* Set the flexible constraint lengths to the old lengths */
1510             if (pbc != NULL)
1511             {
1512                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1513                 {
1514                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
1515                     {
1516                         pbc_dx_aiuc(pbc, x[lincsd->bla[2*i]], x[lincsd->bla[2*i+1]], dx);
1517                         lincsd->bllen[i] = norm(dx);
1518                     }
1519                 }
1520             }
1521             else
1522             {
1523                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
1524                 {
1525                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
1526                     {
1527                         lincsd->bllen[i] =
1528                             sqrt(distance2(x[lincsd->bla[2*i]],
1529                                            x[lincsd->bla[2*i+1]]));
1530                     }
1531                 }
1532             }
1533         }
1534
1535         if (bLog && fplog)
1536         {
1537             cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1538                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1539         }
1540
1541         /* This warn var can be updated by multiple threads
1542          * at the same time. But as we only need to detect
1543          * if a warning occured or not, this is not an issue.
1544          */
1545         warn = -1;
1546
1547         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for coords */
1548 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->nth)
1549         {
1550             int th = gmx_omp_get_thread_num();
1551
1552             clear_mat(lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1553
1554             do_lincs(x, xprime, box, pbc, lincsd, th,
1555                      md->invmass, cr,
1556                      bCalcVir || (ir->efep != efepNO),
1557                      ir->LincsWarnAngle, &warn,
1558                      invdt, v, bCalcVir,
1559                      th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1560         }
1561
1562         if (ir->efep != efepNO)
1563         {
1564             real dt_2, dvdl = 0;
1565
1566             /* TODO This should probably use invdt, so that sd integrator scaling works properly */
1567             dt_2 = 1.0/(ir->delta_t*ir->delta_t);
1568             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
1569             {
1570                 dvdl -= lincsd->mlambda[i]*dt_2*lincsd->ddist[i];
1571             }
1572             *dvdlambda += dvdl;
1573         }
1574
1575         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
1576         {
1577             fprintf(fplog, "   Rel. Constraint Deviation:  RMS         MAX     between atoms\n");
1578             fprintf(fplog, "       Before LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n",
1579                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1580                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1581                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1582         }
1583         if (bLog || bEner)
1584         {
1585             cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1586                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1587             /* Check if we are doing the second part of SD */
1588             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
1589             {
1590                 i = 2;
1591             }
1592             else
1593             {
1594                 i = 1;
1595             }
1596             lincsd->rmsd_data[0] = ncons_loc;
1597             lincsd->rmsd_data[i] = p_ssd;
1598         }
1599         else
1600         {
1601             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
1602             lincsd->rmsd_data[1] = 0;
1603             lincsd->rmsd_data[2] = 0;
1604         }
1605         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
1606         {
1607             fprintf(fplog,
1608                     "        After LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n\n",
1609                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1610                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1611                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1612         }
1613
1614         if (warn >= 0)
1615         {
1616             if (maxwarn >= 0)
1617             {
1618                 cconerr(cr->dd, lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen, xprime, pbc,
1619                         &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
1620                 if (MULTISIM(cr))
1621                 {
1622                     sprintf(buf3, " in simulation %d", cr->ms->sim);
1623                 }
1624                 else
1625                 {
1626                     buf3[0] = 0;
1627                 }
1628                 sprintf(buf, "\nStep %s, time %g (ps)  LINCS WARNING%s\n"
1629                         "relative constraint deviation after LINCS:\n"
1630                         "rms %.6f, max %.6f (between atoms %d and %d)\n",
1631                         gmx_step_str(step, buf2), ir->init_t+step*ir->delta_t,
1632                         buf3,
1633                         sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
1634                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
1635                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
1636                 if (fplog)
1637                 {
1638                     fprintf(fplog, "%s", buf);
1639                 }
1640                 fprintf(stderr, "%s", buf);
1641                 lincs_warning(fplog, cr->dd, x, xprime, pbc,
1642                               lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen,
1643                               ir->LincsWarnAngle, maxwarn, warncount);
1644             }
1645             bOK = (p_max < 0.5);
1646         }
1647
1648         if (lincsd->ncg_flex)
1649         {
1650             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
1651             {
1652                 if (lincsd->bllen0[i] == 0 && lincsd->ddist[i] == 0)
1653                 {
1654                     lincsd->bllen[i] = 0;
1655                 }
1656             }
1657         }
1658     }
1659     else
1660     {
1661         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for derivatives */
1662 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->nth)
1663         {
1664             int th = gmx_omp_get_thread_num();
1665
1666             do_lincsp(x, xprime, min_proj, pbc, lincsd, th,
1667                       md->invmass, econq, ir->efep != efepNO ? dvdlambda : NULL,
1668                       bCalcVir, th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->th[th].vir_r_m_dr);
1669         }
1670     }
1671
1672     if (bCalcVir && lincsd->nth > 1)
1673     {
1674         for (i = 1; i < lincsd->nth; i++)
1675         {
1676             m_add(vir_r_m_dr, lincsd->th[i].vir_r_m_dr, vir_r_m_dr);
1677         }
1678     }
1679
1680     /* count assuming nit=1 */
1681     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCS, lincsd->nc);
1682     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, (2+lincsd->nOrder)*lincsd->ncc);
1683     if (lincsd->ntriangle > 0)
1684     {
1685         inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, lincsd->nOrder*lincsd->ncc_triangle);
1686     }
1687     if (v)
1688     {
1689         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_V, lincsd->nc*2);
1690     }
1691     if (bCalcVir)
1692     {
1693         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_VIR, lincsd->nc);
1694     }
1695
1696     return bOK;
1697 }