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) 2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, 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 /*! \libinternal \file
  38  * \brief Declares interface to constraint code.
  39  *
  40  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  41  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  42  * \ingroup module_mdlib
  43  * \inlibraryapi
  44  */
  45
  46 #ifndef GMX_MDLIB_CONSTR_H
  47 #define GMX_MDLIB_CONSTR_H
  48
  49 #include <cstdio>
  50
  51 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  52 #include "gromacs/topology/idef.h"
  53 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  54 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  55 #include "gromacs/utility/classhelpers.h"
  56 #include "gromacs/utility/gmxassert.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_blocka;
  67 struct t_commrec;
  68 struct t_ilist;
  69 struct t_inputrec;
  70 struct t_mdatoms;
  71 struct t_nrnb;
  72 struct t_pbc;
  73 class t_state;
  74
  75 namespace gmx
  76 {
  77
  78 //! Describes supported flavours of constrained updates.
  79 enum class ConstraintVariable : int
  80 {
  81     Positions,         /* Constrain positions (mass weighted)             */
  82     Velocities,        /* Constrain velocities (mass weighted)            */
  83     Derivative,        /* Constrain a derivative (mass weighted),         *
  84                         * for instance velocity or acceleration,          *
  85                         * constraint virial can not be calculated.        */
  86     Deriv_FlexCon,     /* As Derivative, but only output flex. con.       */
  87     Force,             /* Constrain forces (non mass-weighted)            */
  88     // TODO What does this do? Improve the comment.
  89     ForceDispl         /* Like Force, but free particles will have mass
  90                         * 1 and frozen particles mass 0                   */
  91 };
  92
  93 /*! \libinternal
  94  * \brief Handles constraints */
  95 class Constraints
  96 {
  97     private:
  98         /*! \brief Constructor
  99          *
 100          * Private to enforce use of makeConstraints() factory
 101          * function. */
 102         Constraints(const gmx_mtop_t     &mtop,
 103                     const t_inputrec     &ir,
 104                     pull_t               *pull_work,
 105                     FILE                 *log,
 106                     const t_mdatoms      &md,
 107                     const t_commrec      *cr,
 108                     const gmx_multisim_t *ms,
 109                     t_nrnb               *nrnb,
 110                     gmx_wallcycle        *wcycle,
 111                     bool                  pbcHandlingRequired,
 112                     int                   numConstraints,
 113                     int                   numSettles);
 114     public:
 115         /*! \brief This member type helps implement a factory
 116          * function, because its objects can access the private
 117          * constructor. */
 118         struct CreationHelper;
 119
 120         ~Constraints();
 121
 122         /*! \brief Returns the total number of flexible constraints in the system. */
 123         int numFlexibleConstraints() const;
 124
 125         /*! \brief Returns whether the system contains perturbed constraints */
 126         bool havePerturbedConstraints() const;
 127
 128         /*! \brief Set up all the local constraints for the domain.
 129          *
 130          * \todo Make this a callback that is called automatically
 131          * once a new domain has been made. */
 132         void setConstraints(const gmx_localtop_t &top,
 133                             const t_mdatoms      &md);
 134
 135         /*! \brief Applies constraints to coordinates.
 136          *
 137          * When econq=ConstraintVariable::Positions constrains
 138          * coordinates xprime using th directions in x, min_proj is
 139          * not used.
 140          *
 141          * When econq=ConstraintVariable::Derivative, calculates the
 142          * components xprime in the constraint directions and
 143          * subtracts these components from min_proj.  So when
 144          * min_proj=xprime, the constraint components are projected
 145          * out.
 146          *
 147          * When econq=ConstraintVariable::Deriv_FlexCon, the same is
 148          * done as with ConstraintVariable::Derivative, but only the
 149          * components of the flexible constraints are stored.
 150          *
 151          * delta_step is used for determining the constraint reference lengths
 152          * when lenA != lenB or will the pull code with a pulling rate.
 153          * step + delta_step is the step at which the final configuration
 154          * is meant to be; for update delta_step = 1.
 155          *
 156          * step_scaling can be used to update coordinates based on the time
 157          * step multiplied by this factor. Thus, normally 1.0 is passed. The
 158          * SD1 integrator uses 0.5 in one of its calls, to correct positions
 159          * for half a step of changed velocities.
 160          *
 161          * If v!=NULL also constrain v by adding the constraint corrections / dt.
 162          *
 163          * If vir!=NULL calculate the constraint virial.
 164          *
 165          * Return whether the application of constraints succeeded without error.
 166          */
 167         bool apply(bool                  bLog,
 168                    bool                  bEner,
 169                    int64_t               step,
 170                    int                   delta_step,
 171                    real                  step_scaling,
 172                    rvec                 *x,
 173                    rvec                 *xprime,
 174                    rvec                 *min_proj,
 175                    matrix                box,
 176                    real                  lambda,
 177                    real                 *dvdlambda,
 178                    rvec                 *v,
 179                    tensor               *vir,
 180                    ConstraintVariable    econq);
 181         //! Links the essentialdynamics and constraint code.
 182         void saveEdsamPointer(gmx_edsam *ed);
 183         //! Getter for use by domain decomposition.
 184         const ArrayRef<const t_blocka> atom2constraints_moltype() const;
 185         //! Getter for use by domain decomposition.
 186         ArrayRef < const std::vector < int>> atom2settle_moltype() const;
 187
 188         /*! \brief Return the data for reduction for determining
 189          * constraint RMS relative deviations, or an empty ArrayRef
 190          * when not supported for any active constraints. */
 191         ArrayRef<real> rmsdData() const;
 192         /*! \brief Return the RMSD of the constraints when available. */
 193         real rmsd() const;
 194
 195     private:
 196         //! Implementation type.
 197         class Impl;
 198         //! Implementation object.
 199         PrivateImplPointer<Impl> impl_;
 200 };
 201
 202 /*! \brief Generate a fatal error because of too many LINCS/SETTLE warnings. */
 203 [[ noreturn ]] void too_many_constraint_warnings(int eConstrAlg, int warncount);
 204
 205 /*! \brief Returns whether constraint with parameter \p iparamsIndex is a flexible constraint */
 206 static inline bool isConstraintFlexible(const t_iparams *iparams,
 207                                         int              iparamsIndex)
 208 {
 209     GMX_ASSERT(iparams != nullptr, "Need a valid iparams array");
 210
 211     return (iparams[iparamsIndex].constr.dA == 0 &&
 212             iparams[iparamsIndex].constr.dB == 0);
 213 };
 214
 215 /* The at2con t_blocka struct returned by the routines below
 216  * contains a list of constraints per atom.
 217  * The F_CONSTRNC constraints in this structure number consecutively
 218  * after the F_CONSTR constraints.
 219  */
 220
 221 /*! \brief Tells make_at2con how to treat flexible constraints */
 222 enum class FlexibleConstraintTreatment
 223 {
 224     Include, //!< Include all flexible constraints
 225     Exclude  //!< Exclude all flexible constraints
 226 };
 227
 228 /*! \brief Returns the flexible constraint treatment depending on whether the integrator is dynamic */
 229 FlexibleConstraintTreatment
 230 flexibleConstraintTreatment(bool haveDynamicsIntegrator);
 231
 232 /*! \brief Returns a block struct to go from atoms to constraints
 233  *
 234  * The block struct will contain constraint indices with lower indices
 235  * directly matching the order in F_CONSTR and higher indices matching
 236  * the order in F_CONSTRNC offset by the number of constraints in F_CONSTR.
 237  *
 238  * \param[in]  moltype   The molecule data
 239  * \param[in]  iparams   Interaction parameters, can be null when flexibleConstraintTreatment=Include
 240  * \param[in]  flexibleConstraintTreatment  The flexible constraint treatment, see enum above
 241  * \returns a block struct with all constraints for each atom
 242  */
 243 t_blocka make_at2con(const gmx_moltype_t            &moltype,
 244                      gmx::ArrayRef<const t_iparams>  iparams,
 245                      FlexibleConstraintTreatment     flexibleConstraintTreatment);
 246
 247 /*! \brief Returns a block struct to go from atoms to constraints
 248  *
 249  * The block struct will contain constraint indices with lower indices
 250  * directly matching the order in F_CONSTR and higher indices matching
 251  * the order in F_CONSTRNC offset by the number of constraints in F_CONSTR.
 252  *
 253  * \param[in]  numAtoms  The number of atoms to construct the list for
 254  * \param[in]  ilist     Interaction list, size F_NRE
 255  * \param[in]  iparams   Interaction parameters, can be null when flexibleConstraintTreatment=Include
 256  * \param[in]  flexibleConstraintTreatment  The flexible constraint treatment, see enum above
 257  * \returns a block struct with all constraints for each atom
 258  */
 259 t_blocka make_at2con(int                          numAtoms,
 260                      const t_ilist               *ilist,
 261                      const t_iparams             *iparams,
 262                      FlexibleConstraintTreatment  flexibleConstraintTreatment);
 263
 264 /*! \brief Returns an array of atom to constraints lists for the moltypes */
 265 const t_blocka *atom2constraints_moltype(const Constraints *constr);
 266
 267 //! Return the number of flexible constraints in the \c ilist and \c iparams.
 268 int countFlexibleConstraints(const t_ilist   *ilist,
 269                              const t_iparams *iparams);
 270
 271 /*! \brief Returns the constraint iatoms for a constraint number con
 272  * which comes from a list where F_CONSTR and F_CONSTRNC constraints
 273  * are concatenated. */
 274 inline const int *
 275 constr_iatomptr(gmx::ArrayRef<const int> iatom_constr,
 276                 gmx::ArrayRef<const int> iatom_constrnc,
 277                 int                      con)
 278 {
 279     if (con*3 < iatom_constr.ssize())
 280     {
 281         return iatom_constr.data() + con*3;
 282     }
 283     else
 284     {
 285         return iatom_constrnc.data() + con*3 - iatom_constr.size();
 286     }
 287 };
 288
 289 /*! \brief Returns whether there are inter charge group constraints */
 290 bool inter_charge_group_constraints(const gmx_mtop_t &mtop);
 291
 292 /*! \brief Returns whether there are inter charge group settles */
 293 bool inter_charge_group_settles(const gmx_mtop_t &mtop);
 294
 295 /*! \brief Constrain the initial coordinates and velocities */
 296 void do_constrain_first(FILE *log, gmx::Constraints *constr,
 297                         const t_inputrec *inputrec, const t_mdatoms *md,
 298                         t_state *state);
 299
 300 }  // namespace gmx
 301
 302 #endif