src/gromacs/mdlib/constr.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017 by the GROMACS development team.
   7  * Copyright (c) 2018,2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   8  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   9  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
  10  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
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  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
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  16  *
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  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 /*! \libinternal \file
  39  * \brief Declares interface to constraint code.
  40  *
  41  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  42  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  43  * \ingroup module_mdlib
  44  * \inlibraryapi
  45  */
  46
  47 #ifndef GMX_MDLIB_CONSTR_H
  48 #define GMX_MDLIB_CONSTR_H
  49
  50 #include <cstdio>
  51
  52 #include <memory>
  53
  54 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  55 #include "gromacs/topology/idef.h"
  56 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  57 #include "gromacs/utility/real.h"
  58
  59 struct gmx_edsam;
  60 struct gmx_localtop_t;
  61 struct gmx_moltype_t;
  62 struct gmx_mtop_t;
  63 struct gmx_multisim_t;
  64 struct gmx_wallcycle;
  65 struct pull_t;
  66 struct t_commrec;
  67 struct t_ilist;
  68 struct t_inputrec;
  69 struct t_nrnb;
  70 struct t_pbc;
  71 class t_state;
  72 enum class ConstraintAlgorithm : int;
  73 namespace gmx
  74 {
  75 template<typename T>
  76 class ArrayRefWithPadding;
  77 template<typename>
  78 class ListOfLists;
  79 class ObservablesReducerBuilder;
  80
  81 //! Describes supported flavours of constrained updates.
  82 enum class ConstraintVariable : int
  83 {
  84     Positions,     /* Constrain positions (mass weighted)             */
  85     Velocities,    /* Constrain velocities (mass weighted)            */
  86     Derivative,    /* Constrain a derivative (mass weighted),         *
  87                     * for instance velocity or acceleration,          *
  88                     * constraint virial can not be calculated.        */
  89     Deriv_FlexCon, /* As Derivative, but only output flex. con.       */
  90     Force,         /* Constrain forces (non mass-weighted)            */
  91     // TODO What does this do? Improve the comment.
  92     ForceDispl /* Like Force, but free particles will have mass
  93                 * 1 and frozen particles mass 0                   */
  94 };
  95
  96 /*! \libinternal
  97  * \brief Handles constraints */
  98 class Constraints
  99 {
 100 private:
 101     /*! \brief Constructor
 102      *
 103      * Private to enforce use of makeConstraints() factory
 104      * function. */
 105     Constraints(const gmx_mtop_t&          mtop,
 106                 const t_inputrec&          ir,
 107                 pull_t*                    pull_work,
 108                 FILE*                      log,
 109                 const t_commrec*           cr,
 110                 bool                       useUpdateGroups,
 111                 const gmx_multisim_t*      ms,
 112                 t_nrnb*                    nrnb,
 113                 gmx_wallcycle*             wcycle,
 114                 bool                       pbcHandlingRequired,
 115                 ObservablesReducerBuilder* observablesReducerBuilder,
 116                 int                        numConstraints,
 117                 int                        numSettles);
 118
 119 public:
 120     /*! \brief This member type helps implement a factory
 121      * function, because its objects can access the private
 122      * constructor. */
 123     struct CreationHelper;
 124
 125     ~Constraints();
 126
 127     /*! \brief Returns the total number of flexible constraints in the system. */
 128     int numFlexibleConstraints() const;
 129
 130     /*! \brief Returns whether the system contains perturbed constraints */
 131     bool havePerturbedConstraints() const;
 132
 133     /*! \brief Set up all the local constraints for the domain.
 134      *
 135      * \todo Make this a callback that is called automatically
 136      * once a new domain has been made. */
 137     void setConstraints(gmx_localtop_t*                     top,
 138                         int                                 numAtoms,
 139                         int                                 numHomeAtoms,
 140                         gmx::ArrayRef<const real>           masses,
 141                         gmx::ArrayRef<const real>           inverseMasses,
 142                         bool                                hasMassPerturbedAtoms,
 143                         real                                lambda,
 144                         gmx::ArrayRef<const unsigned short> cFREEZE);
 145
 146     /*! \brief Applies constraints to coordinates.
 147      *
 148      * When econq=ConstraintVariable::Positions constrains
 149      * coordinates xprime using the directions in x, min_proj is
 150      * not used.
 151      *
 152      * When econq=ConstraintVariable::Derivative, calculates the
 153      * components xprime in the constraint directions and
 154      * subtracts these components from min_proj.  So when
 155      * min_proj=xprime, the constraint components are projected
 156      * out.
 157      *
 158      * When econq=ConstraintVariable::Deriv_FlexCon, the same is
 159      * done as with ConstraintVariable::Derivative, but only the
 160      * components of the flexible constraints are stored.
 161      *
 162      * delta_step is used for determining the constraint reference lengths
 163      * when lenA != lenB or will the pull code with a pulling rate.
 164      * step + delta_step is the step at which the final configuration
 165      * is meant to be; for update delta_step = 1.
 166      *
 167      * step_scaling can be used to update coordinates based on the time
 168      * step multiplied by this factor. Thus, normally 1.0 is passed. The
 169      * SD1 integrator uses 0.5 in one of its calls, to correct positions
 170      * for half a step of changed velocities.
 171      *
 172      * If v!=NULL also constrain v by adding the constraint corrections / dt.
 173      *
 174      * If computeVirial is true, calculate the constraint virial.
 175      *
 176      * Return whether the application of constraints succeeded without error.
 177      *
 178      * /note x is non-const, because non-local atoms need to be communicated.
 179      */
 180     bool apply(bool                      bLog,
 181                bool                      bEner,
 182                int64_t                   step,
 183                int                       delta_step,
 184                real                      step_scaling,
 185                ArrayRefWithPadding<RVec> x,
 186                ArrayRefWithPadding<RVec> xprime,
 187                ArrayRef<RVec>            min_proj,
 188                const matrix              box,
 189                real                      lambda,
 190                real*                     dvdlambda,
 191                ArrayRefWithPadding<RVec> v,
 192                bool                      computeVirial,
 193                tensor                    constraintsVirial,
 194                ConstraintVariable        econq);
 195     //! Links the essentialdynamics and constraint code.
 196     void saveEdsamPointer(gmx_edsam* ed);
 197     //! Getter for use by domain decomposition.
 198     ArrayRef<const ListOfLists<int>> atom2constraints_moltype() const;
 199     //! Getter for use by domain decomposition.
 200     ArrayRef<const std::vector<int>> atom2settle_moltype() const;
 201
 202     /*! \brief Return the RMSD of the constraints when available. */
 203     real rmsd() const;
 204
 205     /*! \brief Get the total number of constraints.
 206      *
 207      * \returns Total number of constraints, including SETTLE and LINCS/SHAKE constraints.
 208      */
 209     int numConstraintsTotal();
 210
 211 private:
 212     //! Implementation type.
 213     class Impl;
 214     //! Implementation object.
 215     std::unique_ptr<Impl> impl_;
 216 };
 217
 218 /*! \brief Generate a fatal error because of too many LINCS/SETTLE warnings. */
 219 [[noreturn]] void too_many_constraint_warnings(ConstraintAlgorithm eConstrAlg, int warncount);
 220
 221 /*! \brief Returns whether constraint with parameter \p iparamsIndex is a flexible constraint */
 222 static inline bool isConstraintFlexible(ArrayRef<const t_iparams> iparams, int iparamsIndex)
 223 {
 224     return (iparams[iparamsIndex].constr.dA == 0 && iparams[iparamsIndex].constr.dB == 0);
 225 };
 226
 227 /* The at2con t_blocka struct returned by the routines below
 228  * contains a list of constraints per atom.
 229  * The F_CONSTRNC constraints in this structure number consecutively
 230  * after the F_CONSTR constraints.
 231  */
 232
 233 /*! \brief Tells make_at2con how to treat flexible constraints */
 234 enum class FlexibleConstraintTreatment
 235 {
 236     Include, //!< Include all flexible constraints
 237     Exclude  //!< Exclude all flexible constraints
 238 };
 239
 240 /*! \brief Returns the flexible constraint treatment depending on whether the integrator is dynamic */
 241 FlexibleConstraintTreatment flexibleConstraintTreatment(bool haveDynamicsIntegrator);
 242
 243 /*! \brief Returns a ListOfLists object to go from atoms to constraints
 244  *
 245  * The object will contain constraint indices with lower indices
 246  * directly matching the order in F_CONSTR and higher indices matching
 247  * the order in F_CONSTRNC offset by the number of constraints in F_CONSTR.
 248  *
 249  * \param[in]  moltype   The molecule data
 250  * \param[in]  iparams   Interaction parameters, can be null when
 251  *                       \p flexibleConstraintTreatment==Include
 252  * \param[in]  flexibleConstraintTreatment  The flexible constraint treatment,
 253  *                                          see enum above
 254  *
 255  * \returns a ListOfLists object with all constraints for each atom
 256  */
 257 ListOfLists<int> make_at2con(const gmx_moltype_t&           moltype,
 258                              gmx::ArrayRef<const t_iparams> iparams,
 259                              FlexibleConstraintTreatment    flexibleConstraintTreatment);
 260
 261 /*! \brief Returns a ListOfLists object to go from atoms to constraints
 262  *
 263  * The object will contain constraint indices with lower indices
 264  * directly matching the order in F_CONSTR and higher indices matching
 265  * the order in F_CONSTRNC offset by the number of constraints in F_CONSTR.
 266  *
 267  * \param[in]  numAtoms  The number of atoms to construct the list for
 268  * \param[in]  ilist     Interaction list, size F_NRE
 269  * \param[in]  iparams   Interaction parameters, can be null when
 270  *                       \p flexibleConstraintTreatment==Include
 271  * \param[in]  flexibleConstraintTreatment  The flexible constraint treatment,
 272  *                                          see enum above
 273  *
 274  * \returns a ListOfLists object with all constraints for each atom
 275  */
 276 ListOfLists<int> make_at2con(int                             numAtoms,
 277                              ArrayRef<const InteractionList> ilist,
 278                              ArrayRef<const t_iparams>       iparams,
 279                              FlexibleConstraintTreatment     flexibleConstraintTreatment);
 280
 281 //! Return the number of flexible constraints in the \c ilist and \c iparams.
 282 int countFlexibleConstraints(ArrayRef<const InteractionList> ilist, ArrayRef<const t_iparams> iparams);
 283
 284 /*! \brief Returns the constraint iatoms for a constraint number con
 285  * which comes from a list where F_CONSTR and F_CONSTRNC constraints
 286  * are concatenated. */
 287 inline const int* constr_iatomptr(gmx::ArrayRef<const int> iatom_constr,
 288                                   gmx::ArrayRef<const int> iatom_constrnc,
 289                                   int                      con)
 290 {
 291     if (con * 3 < iatom_constr.ssize())
 292     {
 293         return iatom_constr.data() + con * 3;
 294     }
 295     else
 296     {
 297         return iatom_constrnc.data() + con * 3 - iatom_constr.size();
 298     }
 299 };
 300
 301 /*! \brief Returns whether there are inter charge group constraints */
 302 bool inter_charge_group_constraints(const gmx_mtop_t& mtop);
 303
 304 /*! \brief Returns whether there are inter charge group settles */
 305 bool inter_charge_group_settles(const gmx_mtop_t& mtop);
 306
 307 /*! \brief Constrain the initial coordinates and velocities */
 308 void do_constrain_first(FILE*                     log,
 309                         gmx::Constraints*         constr,
 310                         const t_inputrec*         inputrec,
 311                         int                       numAtoms,
 312                         int                       numHomeAtoms,
 313                         ArrayRefWithPadding<RVec> x,
 314                         ArrayRefWithPadding<RVec> v,
 315                         const matrix              box,
 316                         real                      lambda);
 317
 318 /*! \brief Constrain velocities only.
 319  *
 320  * The dvdlambda contribution has to be added to the bonded interactions
 321  */
 322 void constrain_velocities(gmx::Constraints* constr,
 323                           bool              do_log,
 324                           bool              do_ene,
 325                           int64_t           step,
 326                           t_state*          state,
 327                           real*             dvdlambda,
 328                           bool              computeVirial,
 329                           tensor            constraintsVirial);
 330
 331 /*! \brief Constraint coordinates.
 332  *
 333  * The dvdlambda contribution has to be added to the bonded interactions
 334  */
 335 void constrain_coordinates(gmx::Constraints*         constr,
 336                            bool                      do_log,
 337                            bool                      do_ene,
 338                            int64_t                   step,
 339                            t_state*                  state,
 340                            ArrayRefWithPadding<RVec> xp,
 341                            real*                     dvdlambda,
 342                            bool                      computeVirial,
 343                            tensor                    constraintsVirial);
 344
 345 } // namespace gmx
 346
 347 #endif