src/gromacs/mdlib/energyoutput.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) 2013,2014,2015,2016,2017 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
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  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 /*! \internal \file
  39  * \brief Defines code that writes energy-like quantities.
  40  *
  41  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  42  * \author Paul Bauer <paul.bauer.q@gmail.com>
  43  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  44  *
  45  * \ingroup module_mdlib
  46  */
  47 #include "gmxpre.h"
  48
  49 #include "energyoutput.h"
  50
  51 #include <cfloat>
  52 #include <cstdlib>
  53 #include <cstring>
  54
  55 #include <array>
  56 #include <string>
  57
  58 #include "gromacs/applied_forces/awh/awh.h"
  59 #include "gromacs/fileio/enxio.h"
  60 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  61 #include "gromacs/fileio/xvgr.h"
  62 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  63 #include "gromacs/listed_forces/disre.h"
  64 #include "gromacs/listed_forces/orires.h"
  65 #include "gromacs/math/functions.h"
  66 #include "gromacs/math/units.h"
  67 #include "gromacs/math/vec.h"
  68 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  69 #include "gromacs/mdlib/ebin.h"
  70 #include "gromacs/mdlib/mdebin_bar.h"
  71 #include "gromacs/mdrunutility/handlerestart.h"
  72 #include "gromacs/mdtypes/energyhistory.h"
  73 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  74 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  75 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  76 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  77 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  78 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  79 #include "gromacs/pulling/pull.h"
  80 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  81 #include "gromacs/trajectory/energyframe.h"
  82 #include "gromacs/utility/arraysize.h"
  83 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  84 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  85 #include "gromacs/utility/mdmodulenotification.h"
  86 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  87 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  88
  89 #include "energydrifttracker.h"
  90
  91 //! Labels for energy file quantities
  92 //! \{
  93 static const char* conrmsd_nm[] = { "Constr. rmsd", "Constr.2 rmsd" };
  94
  95 static std::array<const char*, 3> boxs_nm = { "Box-X", "Box-Y", "Box-Z" };
  96
  97 static std::array<const char*, 6> tricl_boxs_nm = { "Box-XX", "Box-YY", "Box-ZZ",
  98                                                     "Box-YX", "Box-ZX", "Box-ZY" };
  99
 100 static const char* vol_nm[] = { "Volume" };
 101
 102 static const char* dens_nm[] = { "Density" };
 103
 104 static const char* pv_nm[] = { "pV" };
 105
 106 static const char* enthalpy_nm[] = { "Enthalpy" };
 107
 108 static std::array<const char*, 6> boxvel_nm = { "Box-Vel-XX", "Box-Vel-YY", "Box-Vel-ZZ",
 109                                                 "Box-Vel-YX", "Box-Vel-ZX", "Box-Vel-ZY" };
 110
 111 const char* enumValueToString(NonBondedEnergyTerms enumValue)
 112 {
 113     static constexpr gmx::EnumerationArray<NonBondedEnergyTerms, const char*> nonBondedEnergyTermTypeNames = {
 114         "Coul-SR", "LJ-SR", "Buck-SR", "Coul-14", "LJ-14"
 115     };
 116     return nonBondedEnergyTermTypeNames[enumValue];
 117 }
 118
 119 //! \}
 120
 121 namespace gmx
 122 {
 123
 124 /*! \brief Energy output class
 125  *
 126  * This is the collection of energy averages collected during mdrun, and to
 127  * be written out to the .edr file.
 128  *
 129  * \todo Use more std containers.
 130  * \todo Remove GMX_CONSTRAINTVIR
 131  * \todo Write free-energy output also to energy file (after adding more tests)
 132  */
 133 EnergyOutput::EnergyOutput(ener_file*               fp_ene,
 134                            const gmx_mtop_t&        mtop,
 135                            const t_inputrec&        inputrec,
 136                            const pull_t*            pull_work,
 137                            FILE*                    fp_dhdl,
 138                            bool                     isRerun,
 139                            const StartingBehavior   startingBehavior,
 140                            const bool               simulationsShareState,
 141                            const MdModulesNotifier& mdModulesNotifier)
 142 {
 143     const char*        ener_nm[F_NRE];
 144     static const char* vir_nm[]   = { "Vir-XX", "Vir-XY", "Vir-XZ", "Vir-YX", "Vir-YY",
 145                                     "Vir-YZ", "Vir-ZX", "Vir-ZY", "Vir-ZZ" };
 146     static const char* sv_nm[]    = { "ShakeVir-XX", "ShakeVir-XY", "ShakeVir-XZ",
 147                                    "ShakeVir-YX", "ShakeVir-YY", "ShakeVir-YZ",
 148                                    "ShakeVir-ZX", "ShakeVir-ZY", "ShakeVir-ZZ" };
 149     static const char* fv_nm[]    = { "ForceVir-XX", "ForceVir-XY", "ForceVir-XZ",
 150                                    "ForceVir-YX", "ForceVir-YY", "ForceVir-YZ",
 151                                    "ForceVir-ZX", "ForceVir-ZY", "ForceVir-ZZ" };
 152     static const char* pres_nm[]  = { "Pres-XX", "Pres-XY", "Pres-XZ", "Pres-YX", "Pres-YY",
 153                                      "Pres-YZ", "Pres-ZX", "Pres-ZY", "Pres-ZZ" };
 154     static const char* surft_nm[] = { "#Surf*SurfTen" };
 155     static const char* mu_nm[]    = { "Mu-X", "Mu-Y", "Mu-Z" };
 156     static const char* vcos_nm[]  = { "2CosZ*Vel-X" };
 157     static const char* visc_nm[]  = { "1/Viscosity" };
 158     static const char* baro_nm[]  = { "Barostat" };
 159
 160     const SimulationGroups* groups;
 161     char**                  gnm;
 162     char                    buf[256];
 163     const char*             bufi;
 164     int                     i, j, ni, nj, n, ncon, nset;
 165     bool                    bBHAM, b14;
 166
 167     if (EI_DYNAMICS(inputrec.eI))
 168     {
 169         delta_t_ = inputrec.delta_t;
 170     }
 171     else
 172     {
 173         delta_t_ = 0;
 174     }
 175
 176     groups = &mtop.groups;
 177
 178     bBHAM = (mtop.ffparams.numTypes() > 0) && (mtop.ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 179     b14   = (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 || gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0);
 180
 181     ncon         = gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR);
 182     nset         = gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_SETTLE);
 183     bool bConstr = (ncon > 0 || nset > 0) && !isRerun;
 184     bConstrVir_  = false;
 185     nCrmsd_      = 0;
 186     if (bConstr)
 187     {
 188         if (ncon > 0 && inputrec.eConstrAlg == ConstraintAlgorithm::Lincs)
 189         {
 190             nCrmsd_ = 1;
 191         }
 192         bConstrVir_ = (getenv("GMX_CONSTRAINTVIR") != nullptr);
 193     }
 194     else
 195     {
 196         nCrmsd_ = 0;
 197     }
 198
 199     /* Energy monitoring */
 200     for (auto& term : bEInd_)
 201     {
 202         term = false;
 203     }
 204
 205     // Setting true only to those energy terms, that have active interactions and
 206     // are not vsite terms (not VSITE2, VSITE3, VSITE3FD, VSITE3FAD, VSITE3OUT, VSITE4FD, VSITE4FDN, or VSITEN)
 207     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
 208     {
 209         bEner_[i] = (gmx_mtop_ftype_count(mtop, i) > 0)
 210                     && ((interaction_function[i].flags & IF_VSITE) == 0);
 211     }
 212
 213     if (!isRerun)
 214     {
 215         bEner_[F_EKIN] = EI_DYNAMICS(inputrec.eI);
 216         bEner_[F_ETOT] = EI_DYNAMICS(inputrec.eI);
 217         bEner_[F_TEMP] = EI_DYNAMICS(inputrec.eI);
 218
 219         bEner_[F_ECONSERVED] = integratorHasConservedEnergyQuantity(&inputrec);
 220         bEner_[F_PDISPCORR]  = (inputrec.eDispCorr != DispersionCorrectionType::No);
 221         bEner_[F_PRES]       = true;
 222     }
 223
 224     bEner_[F_LJ]   = !bBHAM;
 225     bEner_[F_BHAM] = bBHAM;
 226     bEner_[F_EQM]  = inputrec.bQMMM;
 227     bEner_[F_RF_EXCL] = (EEL_RF(inputrec.coulombtype) && inputrec.cutoff_scheme == CutoffScheme::Group);
 228     bEner_[F_COUL_RECIP]   = EEL_FULL(inputrec.coulombtype);
 229     bEner_[F_LJ_RECIP]     = EVDW_PME(inputrec.vdwtype);
 230     bEner_[F_LJ14]         = b14;
 231     bEner_[F_COUL14]       = b14;
 232     bEner_[F_LJC14_Q]      = false;
 233     bEner_[F_LJC_PAIRS_NB] = false;
 234
 235
 236     bEner_[F_DVDL_COUL] = (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 237                           && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Coul];
 238     bEner_[F_DVDL_VDW] = (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 239                          && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Vdw];
 240     bEner_[F_DVDL_BONDED] = (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 241                             && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Bonded];
 242     bEner_[F_DVDL_RESTRAINT] =
 243             (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 244             && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Restraint];
 245     bEner_[F_DKDL] = (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 246                      && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Mass];
 247     bEner_[F_DVDL] = (inputrec.efep != FreeEnergyPerturbationType::No)
 248                      && inputrec.fepvals->separate_dvdl[FreeEnergyPerturbationCouplingType::Fep];
 249
 250     bEner_[F_CONSTR]   = false;
 251     bEner_[F_CONSTRNC] = false;
 252     bEner_[F_SETTLE]   = false;
 253
 254     bEner_[F_COUL_SR] = true;
 255     bEner_[F_EPOT]    = true;
 256
 257     bEner_[F_DISPCORR]   = (inputrec.eDispCorr != DispersionCorrectionType::No);
 258     bEner_[F_DISRESVIOL] = (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_DISRES) > 0);
 259     bEner_[F_ORIRESDEV]  = (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_ORIRES) > 0);
 260     bEner_[F_COM_PULL]   = ((inputrec.bPull && pull_have_potential(*pull_work)) || inputrec.bRot);
 261
 262     MdModulesEnergyOutputToDensityFittingRequestChecker mdModulesAddOutputToDensityFittingFieldRequest;
 263     mdModulesNotifier.simulationSetupNotifications_.notify(&mdModulesAddOutputToDensityFittingFieldRequest);
 264
 265     bEner_[F_DENSITYFITTING] = mdModulesAddOutputToDensityFittingFieldRequest.energyOutputToDensityFitting_;
 266
 267
 268     // Counting the energy terms that will be printed and saving their names
 269     f_nre_ = 0;
 270     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
 271     {
 272         if (bEner_[i])
 273         {
 274             ener_nm[f_nre_] = interaction_function[i].longname;
 275             f_nre_++;
 276         }
 277     }
 278
 279     epc_       = isRerun ? PressureCoupling::No : inputrec.epc;
 280     bDiagPres_ = !TRICLINIC(inputrec.ref_p) && !isRerun;
 281     ref_p_     = (inputrec.ref_p[XX][XX] + inputrec.ref_p[YY][YY] + inputrec.ref_p[ZZ][ZZ]) / DIM;
 282     bTricl_    = TRICLINIC(inputrec.compress) || TRICLINIC(inputrec.deform);
 283     bDynBox_   = inputrecDynamicBox(&inputrec);
 284     etc_       = isRerun ? TemperatureCoupling::No : inputrec.etc;
 285     bNHC_trotter_   = inputrecNvtTrotter(&inputrec) && !isRerun;
 286     bPrintNHChains_ = inputrec.bPrintNHChains && !isRerun;
 287     bMTTK_          = (inputrecNptTrotter(&inputrec) || inputrecNphTrotter(&inputrec)) && !isRerun;
 288     bMu_            = inputrecNeedMutot(&inputrec);
 289     bPres_          = !isRerun;
 290
 291     ebin_ = mk_ebin();
 292     /* Pass NULL for unit to let get_ebin_space determine the units
 293      * for interaction_function[i].longname
 294      */
 295     ie_ = get_ebin_space(ebin_, f_nre_, ener_nm, nullptr);
 296     if (nCrmsd_)
 297     {
 298         /* This should be called directly after the call for ie_,
 299          * such that iconrmsd_ follows directly in the list.
 300          */
 301         iconrmsd_ = get_ebin_space(ebin_, nCrmsd_, conrmsd_nm, "");
 302     }
 303     if (bDynBox_)
 304     {
 305         ib_    = get_ebin_space(ebin_,
 306                              bTricl_ ? tricl_boxs_nm.size() : boxs_nm.size(),
 307                              bTricl_ ? tricl_boxs_nm.data() : boxs_nm.data(),
 308                              unit_length);
 309         ivol_  = get_ebin_space(ebin_, 1, vol_nm, unit_volume);
 310         idens_ = get_ebin_space(ebin_, 1, dens_nm, unit_density_SI);
 311         if (bDiagPres_)
 312         {
 313             ipv_       = get_ebin_space(ebin_, 1, pv_nm, unit_energy);
 314             ienthalpy_ = get_ebin_space(ebin_, 1, enthalpy_nm, unit_energy);
 315         }
 316     }
 317     if (bConstrVir_)
 318     {
 319         isvir_ = get_ebin_space(ebin_, asize(sv_nm), sv_nm, unit_energy);
 320         ifvir_ = get_ebin_space(ebin_, asize(fv_nm), fv_nm, unit_energy);
 321     }
 322     if (bPres_)
 323     {
 324         ivir_   = get_ebin_space(ebin_, asize(vir_nm), vir_nm, unit_energy);
 325         ipres_  = get_ebin_space(ebin_, asize(pres_nm), pres_nm, unit_pres_bar);
 326         isurft_ = get_ebin_space(ebin_, asize(surft_nm), surft_nm, unit_surft_bar);
 327     }
 328     if (epc_ == PressureCoupling::ParrinelloRahman || epc_ == PressureCoupling::Mttk)
 329     {
 330         ipc_ = get_ebin_space(ebin_, bTricl_ ? boxvel_nm.size() : DIM, boxvel_nm.data(), unit_vel);
 331     }
 332     if (bMu_)
 333     {
 334         imu_ = get_ebin_space(ebin_, asize(mu_nm), mu_nm, unit_dipole_D);
 335     }
 336     if (inputrec.cos_accel != 0)
 337     {
 338         ivcos_ = get_ebin_space(ebin_, asize(vcos_nm), vcos_nm, unit_vel);
 339         ivisc_ = get_ebin_space(ebin_, asize(visc_nm), visc_nm, unit_invvisc_SI);
 340     }
 341
 342     /* Energy monitoring */
 343     for (auto& term : bEInd_)
 344     {
 345         term = false;
 346     }
 347     bEInd_[NonBondedEnergyTerms::CoulombSR] = true;
 348     bEInd_[NonBondedEnergyTerms::LJSR]      = true;
 349
 350     if (bBHAM)
 351     {
 352         bEInd_[NonBondedEnergyTerms::LJSR]         = false;
 353         bEInd_[NonBondedEnergyTerms::BuckinghamSR] = true;
 354     }
 355     if (b14)
 356     {
 357         bEInd_[NonBondedEnergyTerms::LJ14]      = true;
 358         bEInd_[NonBondedEnergyTerms::Coulomb14] = true;
 359     }
 360     nEc_ = 0;
 361     for (auto term : bEInd_)
 362     {
 363         if (term)
 364         {
 365             nEc_++;
 366         }
 367     }
 368     n    = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput].size();
 369     nEg_ = n;
 370     nE_  = (n * (n + 1)) / 2;
 371
 372     snew(igrp_, nE_);
 373     if (nE_ > 1)
 374     {
 375         n = 0;
 376         snew(gnm, nEc_);
 377         for (int k = 0; (k < nEc_); k++)
 378         {
 379             snew(gnm[k], STRLEN);
 380         }
 381         for (i = 0; (i < gmx::ssize(groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput])); i++)
 382         {
 383             ni = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][i];
 384             for (j = i; (j < gmx::ssize(groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput])); j++)
 385             {
 386                 nj    = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][j];
 387                 int k = 0;
 388                 for (auto key : keysOf(bEInd_))
 389                 {
 390                     if (bEInd_[key])
 391                     {
 392                         sprintf(gnm[k],
 393                                 "%s:%s-%s",
 394                                 enumValueToString(key),
 395                                 *(groups->groupNames[ni]),
 396                                 *(groups->groupNames[nj]));
 397                         k++;
 398                     }
 399                 }
 400                 igrp_[n] = get_ebin_space(ebin_, nEc_, gnm, unit_energy);
 401                 n++;
 402             }
 403         }
 404         for (int k = 0; (k < nEc_); k++)
 405         {
 406             sfree(gnm[k]);
 407         }
 408         sfree(gnm);
 409
 410         if (n != nE_)
 411         {
 412             gmx_incons("Number of energy terms wrong");
 413         }
 414     }
 415
 416     nTC_  = isRerun ? 0 : groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling].size();
 417     nNHC_ = inputrec.opts.nhchainlength; /* shorthand for number of NH chains */
 418     if (bMTTK_)
 419     {
 420         nTCP_ = 1; /* assume only one possible coupling system for barostat
 421                            for now */
 422     }
 423     else
 424     {
 425         nTCP_ = 0;
 426     }
 427     if (etc_ == TemperatureCoupling::NoseHoover)
 428     {
 429         if (bNHC_trotter_)
 430         {
 431             mde_n_ = 2 * nNHC_ * nTC_;
 432         }
 433         else
 434         {
 435             mde_n_ = 2 * nTC_;
 436         }
 437         if (epc_ == PressureCoupling::Mttk)
 438         {
 439             mdeb_n_ = 2 * nNHC_ * nTCP_;
 440         }
 441     }
 442     else
 443     {
 444         mde_n_  = nTC_;
 445         mdeb_n_ = 0;
 446     }
 447
 448     snew(tmp_r_, mde_n_);
 449     // TODO redo the group name memory management to make it more clear
 450     char** grpnms;
 451     snew(grpnms, std::max(mde_n_, mdeb_n_)); // Just in case mdeb_n_ > mde_n_
 452
 453     for (i = 0; (i < nTC_); i++)
 454     {
 455         ni = groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling][i];
 456         sprintf(buf, "T-%s", *(groups->groupNames[ni]));
 457         grpnms[i] = gmx_strdup(buf);
 458     }
 459     itemp_ = get_ebin_space(ebin_, nTC_, grpnms, unit_temp_K);
 460     for (i = 0; i < nTC_; i++)
 461     {
 462         sfree(grpnms[i]);
 463     }
 464
 465     int allocated = 0;
 466     if (etc_ == TemperatureCoupling::NoseHoover)
 467     {
 468         if (bPrintNHChains_)
 469         {
 470             if (bNHC_trotter_)
 471             {
 472                 for (i = 0; (i < nTC_); i++)
 473                 {
 474                     ni   = groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling][i];
 475                     bufi = *(groups->groupNames[ni]);
 476                     for (j = 0; (j < nNHC_); j++)
 477                     {
 478                         sprintf(buf, "Xi-%d-%s", j, bufi);
 479                         grpnms[2 * (i * nNHC_ + j)] = gmx_strdup(buf);
 480                         sprintf(buf, "vXi-%d-%s", j, bufi);
 481                         grpnms[2 * (i * nNHC_ + j) + 1] = gmx_strdup(buf);
 482                     }
 483                 }
 484                 itc_      = get_ebin_space(ebin_, mde_n_, grpnms, unit_invtime);
 485                 allocated = mde_n_;
 486                 if (bMTTK_)
 487                 {
 488                     for (i = 0; (i < nTCP_); i++)
 489                     {
 490                         bufi = baro_nm[0]; /* All barostat DOF's together for now. */
 491                         for (j = 0; (j < nNHC_); j++)
 492                         {
 493                             sprintf(buf, "Xi-%d-%s", j, bufi);
 494                             grpnms[2 * (i * nNHC_ + j)] = gmx_strdup(buf);
 495                             sprintf(buf, "vXi-%d-%s", j, bufi);
 496                             grpnms[2 * (i * nNHC_ + j) + 1] = gmx_strdup(buf);
 497                         }
 498                     }
 499                     itcb_     = get_ebin_space(ebin_, mdeb_n_, grpnms, unit_invtime);
 500                     allocated = mdeb_n_;
 501                 }
 502             }
 503             else
 504             {
 505                 for (i = 0; (i < nTC_); i++)
 506                 {
 507                     ni   = groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling][i];
 508                     bufi = *(groups->groupNames[ni]);
 509                     sprintf(buf, "Xi-%s", bufi);
 510                     grpnms[2 * i] = gmx_strdup(buf);
 511                     sprintf(buf, "vXi-%s", bufi);
 512                     grpnms[2 * i + 1] = gmx_strdup(buf);
 513                 }
 514                 itc_      = get_ebin_space(ebin_, mde_n_, grpnms, unit_invtime);
 515                 allocated = mde_n_;
 516             }
 517         }
 518     }
 519     else if (etc_ == TemperatureCoupling::Berendsen || etc_ == TemperatureCoupling::Yes
 520              || etc_ == TemperatureCoupling::VRescale)
 521     {
 522         for (i = 0; (i < nTC_); i++)
 523         {
 524             ni = groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling][i];
 525             sprintf(buf, "Lamb-%s", *(groups->groupNames[ni]));
 526             grpnms[i] = gmx_strdup(buf);
 527         }
 528         itc_      = get_ebin_space(ebin_, mde_n_, grpnms, "");
 529         allocated = mde_n_;
 530     }
 531
 532     for (i = 0; i < allocated; i++)
 533     {
 534         sfree(grpnms[i]);
 535     }
 536     sfree(grpnms);
 537
 538     /* Note that fp_ene should be valid on the master rank and null otherwise */
 539     if (fp_ene != nullptr && startingBehavior != StartingBehavior::RestartWithAppending)
 540     {
 541         do_enxnms(fp_ene, &ebin_->nener, &ebin_->enm);
 542     }
 543
 544     /* check whether we're going to write dh histograms */
 545     dhc_ = nullptr;
 546     if (inputrec.fepvals->separate_dhdl_file == SeparateDhdlFile::No)
 547     {
 548         /* Currently dh histograms are only written with dynamics */
 549         if (EI_DYNAMICS(inputrec.eI))
 550         {
 551             snew(dhc_, 1);
 552
 553             mde_delta_h_coll_init(dhc_, inputrec);
 554         }
 555         fp_dhdl_ = nullptr;
 556         snew(dE_, inputrec.fepvals->n_lambda);
 557     }
 558     else
 559     {
 560         fp_dhdl_ = fp_dhdl;
 561         snew(dE_, inputrec.fepvals->n_lambda);
 562     }
 563     if (inputrec.bSimTemp)
 564     {
 565         int i;
 566         snew(temperatures_, inputrec.fepvals->n_lambda);
 567         numTemperatures_ = inputrec.fepvals->n_lambda;
 568         for (i = 0; i < inputrec.fepvals->n_lambda; i++)
 569         {
 570             temperatures_[i] = inputrec.simtempvals->temperatures[i];
 571         }
 572     }
 573     else
 574     {
 575         numTemperatures_ = 0;
 576     }
 577
 578     if (EI_MD(inputrec.eI) && !simulationsShareState)
 579     {
 580         conservedEnergyTracker_ = std::make_unique<EnergyDriftTracker>(mtop.natoms);
 581     }
 582 }
 583
 584 EnergyOutput::~EnergyOutput()
 585 {
 586     sfree(igrp_);
 587     sfree(tmp_r_);
 588     sfree(tmp_v_);
 589     done_ebin(ebin_);
 590     done_mde_delta_h_coll(dhc_);
 591     sfree(dE_);
 592     if (numTemperatures_ > 0)
 593     {
 594         sfree(temperatures_);
 595     }
 596 }
 597
 598 } // namespace gmx
 599
 600 /*! \brief Print a lambda vector to a string
 601  *
 602  * \param[in] fep                The inputrec's FEP input data
 603  * \param[in] i                  The index of the lambda vector
 604  * \param[in] get_native_lambda  Whether to print the native lambda
 605  * \param[in] get_names          Whether to print the names rather than the values
 606  * \param[in,out] str            The pre-allocated string buffer to print to.
 607  */
 608 static void print_lambda_vector(t_lambda* fep, int i, bool get_native_lambda, bool get_names, char* str)
 609 {
 610     int k    = 0;
 611     int Nsep = 0;
 612
 613     for (auto j : keysOf(fep->separate_dvdl))
 614     {
 615         if (fep->separate_dvdl[j])
 616         {
 617             Nsep++;
 618         }
 619     }
 620     str[0] = 0; /* reset the string */
 621     if (Nsep > 1)
 622     {
 623         str += sprintf(str, "("); /* set the opening parenthesis*/
 624     }
 625     for (auto j : keysOf(fep->separate_dvdl))
 626     {
 627         if (fep->separate_dvdl[j])
 628         {
 629             if (!get_names)
 630             {
 631                 if (get_native_lambda && fep->init_lambda >= 0)
 632                 {
 633                     str += sprintf(str, "%.4f", fep->init_lambda);
 634                 }
 635                 else
 636                 {
 637                     str += sprintf(str, "%.4f", fep->all_lambda[j][i]);
 638                 }
 639             }
 640             else
 641             {
 642                 str += sprintf(str, "%s", enumValueToStringSingular(j));
 643             }
 644             /* print comma for the next item */
 645             if (k < Nsep - 1)
 646             {
 647                 str += sprintf(str, ", ");
 648             }
 649             k++;
 650         }
 651     }
 652     if (Nsep > 1)
 653     {
 654         /* and add the closing parenthesis */
 655         sprintf(str, ")");
 656     }
 657 }
 658
 659 FILE* open_dhdl(const char* filename, const t_inputrec* ir, const gmx_output_env_t* oenv)
 660 {
 661     FILE*       fp;
 662     const char *dhdl = "dH/d\\lambda", *deltag = "\\DeltaH", *lambda = "\\lambda",
 663                *lambdastate = "\\lambda state";
 664     int         i, nsets, nsets_de, nsetsbegin;
 665     int         n_lambda_terms = 0;
 666     t_lambda*   fep            = ir->fepvals.get(); /* for simplicity */
 667     t_expanded* expand         = ir->expandedvals.get();
 668     char        lambda_vec_str[STRLEN], lambda_name_str[STRLEN];
 669
 670     int  nsets_dhdl = 0;
 671     int  s          = 0;
 672     int  nsetsextend;
 673     bool write_pV = false;
 674
 675     /* count the number of different lambda terms */
 676     for (auto i : keysOf(fep->separate_dvdl))
 677     {
 678         if (fep->separate_dvdl[i])
 679         {
 680             n_lambda_terms++;
 681         }
 682     }
 683
 684     std::string title, label_x, label_y;
 685     if (fep->n_lambda == 0)
 686     {
 687         title   = gmx::formatString("%s", dhdl);
 688         label_x = gmx::formatString("Time (ps)");
 689         label_y = gmx::formatString("%s (%s %s)", dhdl, unit_energy, "[\\lambda]\\S-1\\N");
 690     }
 691     else
 692     {
 693         title   = gmx::formatString("%s and %s", dhdl, deltag);
 694         label_x = gmx::formatString("Time (ps)");
 695         label_y = gmx::formatString(
 696                 "%s and %s (%s %s)", dhdl, deltag, unit_energy, "[\\8l\\4]\\S-1\\N");
 697     }
 698     fp = gmx_fio_fopen(filename, "w+");
 699     xvgr_header(fp, title.c_str(), label_x, label_y, exvggtXNY, oenv);
 700
 701     std::string buf;
 702     if (!(ir->bSimTemp))
 703     {
 704         buf = gmx::formatString("T = %g (K) ", ir->opts.ref_t[0]);
 705     }
 706     if ((ir->efep != FreeEnergyPerturbationType::SlowGrowth)
 707         && (ir->efep != FreeEnergyPerturbationType::Expanded))
 708     {
 709         if ((fep->init_lambda >= 0) && (n_lambda_terms == 1))
 710         {
 711             /* compatibility output */
 712             buf += gmx::formatString("%s = %.4f", lambda, fep->init_lambda);
 713         }
 714         else
 715         {
 716             print_lambda_vector(fep, fep->init_fep_state, true, false, lambda_vec_str);
 717             print_lambda_vector(fep, fep->init_fep_state, true, true, lambda_name_str);
 718             buf += gmx::formatString(
 719                     "%s %d: %s = %s", lambdastate, fep->init_fep_state, lambda_name_str, lambda_vec_str);
 720         }
 721     }
 722     xvgr_subtitle(fp, buf.c_str(), oenv);
 723
 724
 725     nsets_dhdl = 0;
 726     if (fep->dhdl_derivatives == DhDlDerivativeCalculation::Yes)
 727     {
 728         nsets_dhdl = n_lambda_terms;
 729     }
 730     /* count the number of delta_g states */
 731     nsets_de = fep->lambda_stop_n - fep->lambda_start_n;
 732
 733     nsets = nsets_dhdl + nsets_de; /* dhdl + fep differences */
 734
 735     if (fep->n_lambda > 0 && (expand->elmcmove > LambdaMoveCalculation::No))
 736     {
 737         nsets += 1; /*add fep state for expanded ensemble */
 738     }
 739
 740     if (fep->edHdLPrintEnergy != FreeEnergyPrintEnergy::No)
 741     {
 742         nsets += 1; /* add energy to the dhdl as well */
 743     }
 744
 745     nsetsextend = nsets;
 746     if ((ir->epc != PressureCoupling::No) && (fep->n_lambda > 0) && (fep->init_lambda < 0))
 747     {
 748         nsetsextend += 1; /* for PV term, other terms possible if required for
 749                              the reduced potential (only needed with foreign
 750                              lambda, and only output when init_lambda is not
 751                              set in order to maintain compatibility of the
 752                              dhdl.xvg file) */
 753         write_pV = true;
 754     }
 755     std::vector<std::string> setname(nsetsextend);
 756
 757     if (expand->elmcmove > LambdaMoveCalculation::No)
 758     {
 759         /* state for the fep_vals, if we have alchemical sampling */
 760         setname[s++] = "Thermodynamic state";
 761     }
 762
 763     if (fep->edHdLPrintEnergy != FreeEnergyPrintEnergy::No)
 764     {
 765         std::string energy;
 766         switch (fep->edHdLPrintEnergy)
 767         {
 768             case FreeEnergyPrintEnergy::Potential:
 769                 energy = gmx::formatString("%s (%s)", "Potential Energy", unit_energy);
 770                 break;
 771             case FreeEnergyPrintEnergy::Total:
 772             case FreeEnergyPrintEnergy::Yes:
 773             default: energy = gmx::formatString("%s (%s)", "Total Energy", unit_energy);
 774         }
 775         setname[s++] = energy;
 776     }
 777
 778     if (fep->dhdl_derivatives == DhDlDerivativeCalculation::Yes)
 779     {
 780         for (auto i : keysOf(fep->separate_dvdl))
 781         {
 782             if (fep->separate_dvdl[i])
 783             {
 784                 std::string derivative;
 785                 if ((fep->init_lambda >= 0) && (n_lambda_terms == 1))
 786                 {
 787                     /* compatibility output */
 788                     derivative = gmx::formatString("%s %s %.4f", dhdl, lambda, fep->init_lambda);
 789                 }
 790                 else
 791                 {
 792                     double lam = fep->init_lambda;
 793                     if (fep->init_lambda < 0)
 794                     {
 795                         lam = fep->all_lambda[i][fep->init_fep_state];
 796                     }
 797                     derivative = gmx::formatString("%s %s = %.4f", dhdl, enumValueToStringSingular(i), lam);
 798                 }
 799                 setname[s++] = derivative;
 800             }
 801         }
 802     }
 803
 804     if (fep->n_lambda > 0)
 805     {
 806         /* g_bar has to determine the lambda values used in this simulation
 807          * from this xvg legend.
 808          */
 809
 810         if (expand->elmcmove > LambdaMoveCalculation::No)
 811         {
 812             nsetsbegin = 1; /* for including the expanded ensemble */
 813         }
 814         else
 815         {
 816             nsetsbegin = 0;
 817         }
 818
 819         if (fep->edHdLPrintEnergy != FreeEnergyPrintEnergy::No)
 820         {
 821             nsetsbegin += 1;
 822         }
 823         nsetsbegin += nsets_dhdl;
 824
 825         for (i = fep->lambda_start_n; i < fep->lambda_stop_n; i++)
 826         {
 827             print_lambda_vector(fep, i, false, false, lambda_vec_str);
 828             std::string buf;
 829             if ((fep->init_lambda >= 0) && (n_lambda_terms == 1))
 830             {
 831                 /* for compatible dhdl.xvg files */
 832                 buf = gmx::formatString("%s %s %s", deltag, lambda, lambda_vec_str);
 833             }
 834             else
 835             {
 836                 buf = gmx::formatString("%s %s to %s", deltag, lambda, lambda_vec_str);
 837             }
 838
 839             if (ir->bSimTemp)
 840             {
 841                 /* print the temperature for this state if doing simulated annealing */
 842                 buf += gmx::formatString(
 843                         "T = %g (%s)", ir->simtempvals->temperatures[s - (nsetsbegin)], unit_temp_K);
 844             }
 845             setname[s++] = buf;
 846         }
 847         if (write_pV)
 848         {
 849             setname[s++] = gmx::formatString("pV (%s)", unit_energy);
 850         }
 851
 852         xvgrLegend(fp, setname, oenv);
 853     }
 854
 855     return fp;
 856 }
 857
 858 namespace gmx
 859 {
 860
 861 void EnergyOutput::addDataAtEnergyStep(bool                    bDoDHDL,
 862                                        bool                    bSum,
 863                                        double                  time,
 864                                        real                    tmass,
 865                                        const gmx_enerdata_t*   enerd,
 866                                        const t_lambda*         fep,
 867                                        const t_expanded*       expand,
 868                                        const matrix            box,
 869                                        PTCouplingArrays        ptCouplingArrays,
 870                                        int                     fep_state,
 871                                        const tensor            svir,
 872                                        const tensor            fvir,
 873                                        const tensor            vir,
 874                                        const tensor            pres,
 875                                        const gmx_ekindata_t*   ekind,
 876                                        const rvec              mu_tot,
 877                                        const gmx::Constraints* constr)
 878 {
 879     int  j, k, kk, n, gid;
 880     real crmsd[2], tmp6[6];
 881     real bs[tricl_boxs_nm.size()], vol, dens, enthalpy;
 882     real eee[static_cast<int>(NonBondedEnergyTerms::Count)];
 883     gmx::EnumerationArray<FreeEnergyPerturbationCouplingType, double> store_dhdl;
 884     real                                                              store_energy = 0;
 885     real                                                              tmp;
 886     real pv = 0.0; // static analyzer warns about uninitialized variable warnings here.
 887
 888     /* Do NOT use the box in the state variable, but the separate box provided
 889      * as an argument. This is because we sometimes need to write the box from
 890      * the last timestep to match the trajectory frames.
 891      */
 892     add_ebin_indexed(ebin_, ie_, gmx::ArrayRef<bool>(bEner_), enerd->term, bSum);
 893     if (nCrmsd_)
 894     {
 895         crmsd[0] = constr->rmsd();
 896         add_ebin(ebin_, iconrmsd_, nCrmsd_, crmsd, false);
 897     }
 898     if (bDynBox_)
 899     {
 900         int nboxs;
 901         if (bTricl_)
 902         {
 903             bs[0] = box[XX][XX];
 904             bs[1] = box[YY][YY];
 905             bs[2] = box[ZZ][ZZ];
 906             bs[3] = box[YY][XX];
 907             bs[4] = box[ZZ][XX];
 908             bs[5] = box[ZZ][YY];
 909             nboxs = tricl_boxs_nm.size();
 910         }
 911         else
 912         {
 913             bs[0] = box[XX][XX];
 914             bs[1] = box[YY][YY];
 915             bs[2] = box[ZZ][ZZ];
 916             nboxs = boxs_nm.size();
 917         }
 918         vol  = box[XX][XX] * box[YY][YY] * box[ZZ][ZZ];
 919         dens = (tmass * gmx::c_amu) / (vol * gmx::c_nano * gmx::c_nano * gmx::c_nano);
 920         add_ebin(ebin_, ib_, nboxs, bs, bSum);
 921         add_ebin(ebin_, ivol_, 1, &vol, bSum);
 922         add_ebin(ebin_, idens_, 1, &dens, bSum);
 923
 924         if (bDiagPres_)
 925         {
 926             /* This is pV (in kJ/mol).  The pressure is the reference pressure,
 927                not the instantaneous pressure */
 928             pv = vol * ref_p_ / gmx::c_presfac;
 929
 930             add_ebin(ebin_, ipv_, 1, &pv, bSum);
 931             enthalpy = pv + enerd->term[F_ETOT];
 932             add_ebin(ebin_, ienthalpy_, 1, &enthalpy, bSum);
 933         }
 934     }
 935     if (bConstrVir_)
 936     {
 937         add_ebin(ebin_, isvir_, 9, svir[0], bSum);
 938         add_ebin(ebin_, ifvir_, 9, fvir[0], bSum);
 939     }
 940     if (bPres_)
 941     {
 942         add_ebin(ebin_, ivir_, 9, vir[0], bSum);
 943         add_ebin(ebin_, ipres_, 9, pres[0], bSum);
 944         tmp = (pres[ZZ][ZZ] - (pres[XX][XX] + pres[YY][YY]) * 0.5) * box[ZZ][ZZ];
 945         add_ebin(ebin_, isurft_, 1, &tmp, bSum);
 946     }
 947     if (epc_ == PressureCoupling::ParrinelloRahman || epc_ == PressureCoupling::Mttk)
 948     {
 949         tmp6[0] = ptCouplingArrays.boxv[XX][XX];
 950         tmp6[1] = ptCouplingArrays.boxv[YY][YY];
 951         tmp6[2] = ptCouplingArrays.boxv[ZZ][ZZ];
 952         tmp6[3] = ptCouplingArrays.boxv[YY][XX];
 953         tmp6[4] = ptCouplingArrays.boxv[ZZ][XX];
 954         tmp6[5] = ptCouplingArrays.boxv[ZZ][YY];
 955         add_ebin(ebin_, ipc_, bTricl_ ? 6 : 3, tmp6, bSum);
 956     }
 957     if (bMu_)
 958     {
 959         add_ebin(ebin_, imu_, 3, mu_tot, bSum);
 960     }
 961     if (ekind && ekind->cosacc.cos_accel != 0)
 962     {
 963         vol  = box[XX][XX] * box[YY][YY] * box[ZZ][ZZ];
 964         dens = (tmass * gmx::c_amu) / (vol * gmx::c_nano * gmx::c_nano * gmx::c_nano);
 965         add_ebin(ebin_, ivcos_, 1, &(ekind->cosacc.vcos), bSum);
 966         /* 1/viscosity, unit 1/(kg m^-1 s^-1) */
 967         tmp = 1
 968               / (ekind->cosacc.cos_accel / (ekind->cosacc.vcos * gmx::c_pico) * dens
 969                  * gmx::square(box[ZZ][ZZ] * gmx::c_nano / (2 * M_PI)));
 970         add_ebin(ebin_, ivisc_, 1, &tmp, bSum);
 971     }
 972     if (nE_ > 1)
 973     {
 974         n = 0;
 975         for (int i = 0; (i < nEg_); i++)
 976         {
 977             for (j = i; (j < nEg_); j++)
 978             {
 979                 gid = GID(i, j, nEg_);
 980                 for (k = kk = 0; (k < static_cast<int>(NonBondedEnergyTerms::Count)); k++)
 981                 {
 982                     if (bEInd_[k])
 983                     {
 984                         eee[kk++] = enerd->grpp.energyGroupPairTerms[k][gid];
 985                     }
 986                 }
 987                 add_ebin(ebin_, igrp_[n], nEc_, eee, bSum);
 988                 n++;
 989             }
 990         }
 991     }
 992
 993     if (ekind)
 994     {
 995         for (int i = 0; (i < nTC_); i++)
 996         {
 997             tmp_r_[i] = ekind->tcstat[i].T;
 998         }
 999         add_ebin(ebin_, itemp_, nTC_, tmp_r_, bSum);
1000
1001         if (etc_ == TemperatureCoupling::NoseHoover)
1002         {
1003             /* whether to print Nose-Hoover chains: */
1004             if (bPrintNHChains_)
1005             {
1006                 if (bNHC_trotter_)
1007                 {
1008                     for (int i = 0; (i < nTC_); i++)
1009                     {
1010                         for (j = 0; j < nNHC_; j++)
1011                         {
1012                             k                 = i * nNHC_ + j;
1013                             tmp_r_[2 * k]     = ptCouplingArrays.nosehoover_xi[k];
1014                             tmp_r_[2 * k + 1] = ptCouplingArrays.nosehoover_vxi[k];
1015                         }
1016                     }
1017                     add_ebin(ebin_, itc_, mde_n_, tmp_r_, bSum);
1018
1019                     if (bMTTK_)
1020                     {
1021                         for (int i = 0; (i < nTCP_); i++)
1022                         {
1023                             for (j = 0; j < nNHC_; j++)
1024                             {
1025                                 k                 = i * nNHC_ + j;
1026                                 tmp_r_[2 * k]     = ptCouplingArrays.nhpres_xi[k];
1027                                 tmp_r_[2 * k + 1] = ptCouplingArrays.nhpres_vxi[k];
1028                             }
1029                         }
1030                         add_ebin(ebin_, itcb_, mdeb_n_, tmp_r_, bSum);
1031                     }
1032                 }
1033                 else
1034                 {
1035                     for (int i = 0; (i < nTC_); i++)
1036                     {
1037                         tmp_r_[2 * i]     = ptCouplingArrays.nosehoover_xi[i];
1038                         tmp_r_[2 * i + 1] = ptCouplingArrays.nosehoover_vxi[i];
1039                     }
1040                     add_ebin(ebin_, itc_, mde_n_, tmp_r_, bSum);
1041                 }
1042             }
1043         }
1044         else if (etc_ == TemperatureCoupling::Berendsen || etc_ == TemperatureCoupling::Yes
1045                  || etc_ == TemperatureCoupling::VRescale)
1046         {
1047             for (int i = 0; (i < nTC_); i++)
1048             {
1049                 tmp_r_[i] = ekind->tcstat[i].lambda;
1050             }
1051             add_ebin(ebin_, itc_, nTC_, tmp_r_, bSum);
1052         }
1053     }
1054
1055     ebin_increase_count(1, ebin_, bSum);
1056
1057     // BAR + thermodynamic integration values
1058     if ((fp_dhdl_ || dhc_) && bDoDHDL)
1059     {
1060         const auto& foreignTerms = enerd->foreignLambdaTerms;
1061         for (int i = 0; i < foreignTerms.numLambdas(); i++)
1062         {
1063             /* zero for simulated tempering */
1064             dE_[i] = foreignTerms.deltaH(i);
1065             if (numTemperatures_ > 0)
1066             {
1067                 GMX_RELEASE_ASSERT(numTemperatures_ > fep_state,
1068                                    "Number of lambdas in state is bigger then in input record");
1069                 GMX_RELEASE_ASSERT(
1070                         numTemperatures_ >= foreignTerms.numLambdas(),
1071                         "Number of lambdas in energy data is bigger then in input record");
1072                 /* MRS: is this right, given the way we have defined the exchange probabilities? */
1073                 /* is this even useful to have at all? */
1074                 dE_[i] += (temperatures_[i] / temperatures_[fep_state] - 1.0) * enerd->term[F_EKIN];
1075             }
1076         }
1077
1078         if (fp_dhdl_)
1079         {
1080             fprintf(fp_dhdl_, "%.4f", time);
1081             /* the current free energy state */
1082
1083             /* print the current state if we are doing expanded ensemble */
1084             if (expand->elmcmove > LambdaMoveCalculation::No)
1085             {
1086                 fprintf(fp_dhdl_, " %4d", fep_state);
1087             }
1088             /* total energy (for if the temperature changes */
1089
1090             if (fep->edHdLPrintEnergy != FreeEnergyPrintEnergy::No)
1091             {
1092                 switch (fep->edHdLPrintEnergy)
1093                 {
1094                     case FreeEnergyPrintEnergy::Potential:
1095                         store_energy = enerd->term[F_EPOT];
1096                         break;
1097                     case FreeEnergyPrintEnergy::Total:
1098                     case FreeEnergyPrintEnergy::Yes:
1099                     default: store_energy = enerd->term[F_ETOT];
1100                 }
1101                 fprintf(fp_dhdl_, " %#.8g", store_energy);
1102             }
1103
1104             if (fep->dhdl_derivatives == DhDlDerivativeCalculation::Yes)
1105             {
1106                 for (auto i : keysOf(fep->separate_dvdl))
1107                 {
1108                     if (fep->separate_dvdl[i])
1109                     {
1110                         /* assumes F_DVDL is first */
1111                         fprintf(fp_dhdl_, " %#.8g", enerd->term[F_DVDL + static_cast<int>(i)]);
1112                     }
1113                 }
1114             }
1115             for (int i = fep->lambda_start_n; i < fep->lambda_stop_n; i++)
1116             {
1117                 fprintf(fp_dhdl_, " %#.8g", dE_[i]);
1118             }
1119             if (bDynBox_ && bDiagPres_ && (epc_ != PressureCoupling::No)
1120                 && foreignTerms.numLambdas() > 0 && (fep->init_lambda < 0))
1121             {
1122                 fprintf(fp_dhdl_, " %#.8g", pv); /* PV term only needed when
1123                                                          there are alternate state
1124                                                          lambda and we're not in
1125                                                          compatibility mode */
1126             }
1127             fprintf(fp_dhdl_, "\n");
1128             /* and the binary free energy output */
1129         }
1130         if (dhc_ && bDoDHDL)
1131         {
1132             int idhdl = 0;
1133             for (auto i : keysOf(fep->separate_dvdl))
1134             {
1135                 if (fep->separate_dvdl[i])
1136                 {
1137                     /* assumes F_DVDL is first */
1138                     store_dhdl[idhdl] = enerd->term[F_DVDL + static_cast<int>(i)];
1139                     idhdl += 1;
1140                 }
1141             }
1142             store_energy = enerd->term[F_ETOT];
1143             /* store_dh is dE */
1144             mde_delta_h_coll_add_dh(
1145                     dhc_, static_cast<double>(fep_state), store_energy, pv, store_dhdl, dE_ + fep->lambda_start_n, time);
1146         }
1147     }
1148
1149     if (conservedEnergyTracker_)
1150     {
1151         conservedEnergyTracker_->addPoint(
1152                 time, bEner_[F_ECONSERVED] ? enerd->term[F_ECONSERVED] : enerd->term[F_ETOT]);
1153     }
1154 }
1155
1156 void EnergyOutput::recordNonEnergyStep()
1157 {
1158     ebin_increase_count(1, ebin_, false);
1159 }
1160
1161 void EnergyOutput::printHeader(FILE* log, int64_t steps, double time)
1162 {
1163     char buf[22];
1164
1165     fprintf(log,
1166             "   %12s   %12s\n"
1167             "   %12s   %12.5f\n\n",
1168             "Step",
1169             "Time",
1170             gmx_step_str(steps, buf),
1171             time);
1172 }
1173
1174 void EnergyOutput::printStepToEnergyFile(ener_file* fp_ene,
1175                                          bool       bEne,
1176                                          bool       bDR,
1177                                          bool       bOR,
1178                                          FILE*      log,
1179                                          int64_t    step,
1180                                          double     time,
1181                                          t_fcdata*  fcd,
1182                                          gmx::Awh*  awh)
1183 {
1184     t_enxframe fr;
1185     init_enxframe(&fr);
1186     fr.t       = time;
1187     fr.step    = step;
1188     fr.nsteps  = ebin_->nsteps;
1189     fr.dt      = delta_t_;
1190     fr.nsum    = ebin_->nsum;
1191     fr.nre     = (bEne) ? ebin_->nener : 0;
1192     fr.ener    = ebin_->e;
1193     int ndisre = bDR ? fcd->disres->npair : 0;
1194     /* these are for the old-style blocks (1 subblock, only reals), because
1195        there can be only one per ID for these */
1196     int   nr[enxNR];
1197     int   id[enxNR];
1198     real* block[enxNR];
1199     /* Optional additional old-style (real-only) blocks. */
1200     for (int i = 0; i < enxNR; i++)
1201     {
1202         nr[i] = 0;
1203     }
1204
1205     if (bOR && fcd->orires->nr > 0)
1206     {
1207         t_oriresdata& orires = *fcd->orires;
1208         diagonalize_orires_tensors(&orires);
1209         nr[enxOR]     = orires.nr;
1210         block[enxOR]  = orires.otav;
1211         id[enxOR]     = enxOR;
1212         nr[enxORI]    = (orires.oinsl != orires.otav) ? orires.nr : 0;
1213         block[enxORI] = orires.oinsl;
1214         id[enxORI]    = enxORI;
1215         nr[enxORT]    = orires.nex * 12;
1216         block[enxORT] = orires.eig;
1217         id[enxORT]    = enxORT;
1218     }
1219
1220     /* whether we are going to write anything out: */
1221     if (fr.nre || ndisre || nr[enxOR] || nr[enxORI])
1222     {
1223         /* the old-style blocks go first */
1224         fr.nblock = 0;
1225         for (int i = 0; i < enxNR; i++)
1226         {
1227             if (nr[i] > 0)
1228             {
1229                 fr.nblock = i + 1;
1230             }
1231         }
1232         add_blocks_enxframe(&fr, fr.nblock);
1233         for (int b = 0; b < fr.nblock; b++)
1234         {
1235             add_subblocks_enxblock(&(fr.block[b]), 1);
1236             fr.block[b].id        = id[b];
1237             fr.block[b].sub[0].nr = nr[b];
1238 #if !GMX_DOUBLE
1239             fr.block[b].sub[0].type = xdr_datatype_float;
1240             fr.block[b].sub[0].fval = block[b];
1241 #else
1242             fr.block[b].sub[0].type  = xdr_datatype_double;
1243             fr.block[b].sub[0].dval  = block[b];
1244 #endif
1245         }
1246
1247         /* check for disre block & fill it. */
1248         if (ndisre > 0)
1249         {
1250             int db = fr.nblock;
1251             fr.nblock += 1;
1252             add_blocks_enxframe(&fr, fr.nblock);
1253
1254             add_subblocks_enxblock(&(fr.block[db]), 2);
1255             const t_disresdata& disres = *fcd->disres;
1256             fr.block[db].id            = enxDISRE;
1257             fr.block[db].sub[0].nr     = ndisre;
1258             fr.block[db].sub[1].nr     = ndisre;
1259 #if !GMX_DOUBLE
1260             fr.block[db].sub[0].type = xdr_datatype_float;
1261             fr.block[db].sub[1].type = xdr_datatype_float;
1262             fr.block[db].sub[0].fval = disres.rt;
1263             fr.block[db].sub[1].fval = disres.rm3tav;
1264 #else
1265             fr.block[db].sub[0].type = xdr_datatype_double;
1266             fr.block[db].sub[1].type = xdr_datatype_double;
1267             fr.block[db].sub[0].dval = disres.rt;
1268             fr.block[db].sub[1].dval = disres.rm3tav;
1269 #endif
1270         }
1271         /* here we can put new-style blocks */
1272
1273         /* Free energy perturbation blocks */
1274         if (dhc_)
1275         {
1276             mde_delta_h_coll_handle_block(dhc_, &fr, fr.nblock);
1277         }
1278
1279         /* we can now free & reset the data in the blocks */
1280         if (dhc_)
1281         {
1282             mde_delta_h_coll_reset(dhc_);
1283         }
1284
1285         /* AWH bias blocks. */
1286         if (awh != nullptr) // TODO: add boolean flag.
1287         {
1288             awh->writeToEnergyFrame(step, &fr);
1289         }
1290
1291         /* do the actual I/O */
1292         do_enx(fp_ene, &fr);
1293         if (fr.nre)
1294         {
1295             /* We have stored the sums, so reset the sum history */
1296             reset_ebin_sums(ebin_);
1297         }
1298     }
1299     free_enxframe(&fr);
1300     if (log)
1301     {
1302         if (bOR && fcd->orires->nr > 0)
1303         {
1304             print_orires_log(log, fcd->orires);
1305         }
1306
1307         fprintf(log, "   Energies (%s)\n", unit_energy);
1308         pr_ebin(log, ebin_, ie_, f_nre_ + nCrmsd_, 5, eprNORMAL, true);
1309         fprintf(log, "\n");
1310     }
1311 }
1312
1313 void EnergyOutput::printAnnealingTemperatures(FILE* log, const SimulationGroups* groups, const t_grpopts* opts)
1314 {
1315     if (log)
1316     {
1317         if (opts)
1318         {
1319             for (int i = 0; i < opts->ngtc; i++)
1320             {
1321                 if (opts->annealing[i] != SimulatedAnnealing::No)
1322                 {
1323                     fprintf(log,
1324                             "Current ref_t for group %s: %8.1f\n",
1325                             *(groups->groupNames[groups->groups[SimulationAtomGroupType::TemperatureCoupling][i]]),
1326                             opts->ref_t[i]);
1327                 }
1328             }
1329             fprintf(log, "\n");
1330         }
1331     }
1332 }
1333
1334 void EnergyOutput::printAverages(FILE* log, const SimulationGroups* groups)
1335 {
1336     if (ebin_->nsum_sim <= 0)
1337     {
1338         if (log)
1339         {
1340             fprintf(log, "Not enough data recorded to report energy averages\n");
1341         }
1342         return;
1343     }
1344     if (log)
1345     {
1346
1347         char buf1[22], buf2[22];
1348
1349         fprintf(log, "\t<======  ###############  ==>\n");
1350         fprintf(log, "\t<====  A V E R A G E S  ====>\n");
1351         fprintf(log, "\t<==  ###############  ======>\n\n");
1352
1353         fprintf(log,
1354                 "\tStatistics over %s steps using %s frames\n",
1355                 gmx_step_str(ebin_->nsteps_sim, buf1),
1356                 gmx_step_str(ebin_->nsum_sim, buf2));
1357         fprintf(log, "\n");
1358
1359         fprintf(log, "   Energies (%s)\n", unit_energy);
1360         pr_ebin(log, ebin_, ie_, f_nre_ + nCrmsd_, 5, eprAVER, true);
1361         fprintf(log, "\n");
1362
1363         if (bDynBox_)
1364         {
1365             pr_ebin(log, ebin_, ib_, bTricl_ ? tricl_boxs_nm.size() : boxs_nm.size(), 5, eprAVER, true);
1366             fprintf(log, "\n");
1367         }
1368         if (bConstrVir_)
1369         {
1370             fprintf(log, "   Constraint Virial (%s)\n", unit_energy);
1371             pr_ebin(log, ebin_, isvir_, 9, 3, eprAVER, false);
1372             fprintf(log, "\n");
1373             fprintf(log, "   Force Virial (%s)\n", unit_energy);
1374             pr_ebin(log, ebin_, ifvir_, 9, 3, eprAVER, false);
1375             fprintf(log, "\n");
1376         }
1377         if (bPres_)
1378         {
1379             fprintf(log, "   Total Virial (%s)\n", unit_energy);
1380             pr_ebin(log, ebin_, ivir_, 9, 3, eprAVER, false);
1381             fprintf(log, "\n");
1382             fprintf(log, "   Pressure (%s)\n", unit_pres_bar);
1383             pr_ebin(log, ebin_, ipres_, 9, 3, eprAVER, false);
1384             fprintf(log, "\n");
1385         }
1386         if (bMu_)
1387         {
1388             fprintf(log, "   Total Dipole (%s)\n", unit_dipole_D);
1389             pr_ebin(log, ebin_, imu_, 3, 3, eprAVER, false);
1390             fprintf(log, "\n");
1391         }
1392
1393         if (nE_ > 1)
1394         {
1395             int padding = 8 - strlen(unit_energy);
1396             fprintf(log, "%*sEpot (%s)   ", padding, "", unit_energy);
1397             for (auto key : keysOf(bEInd_))
1398             {
1399                 if (bEInd_[key])
1400                 {
1401                     fprintf(log, "%12s   ", enumValueToString(key));
1402                 }
1403             }
1404             fprintf(log, "\n");
1405
1406             int n = 0;
1407             for (int i = 0; (i < nEg_); i++)
1408             {
1409                 int ni = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][i];
1410                 for (int j = i; (j < nEg_); j++)
1411                 {
1412                     int nj = groups->groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput][j];
1413                     int padding =
1414                             14 - (strlen(*(groups->groupNames[ni])) + strlen(*(groups->groupNames[nj])));
1415                     fprintf(log, "%*s%s-%s", padding, "", *(groups->groupNames[ni]), *(groups->groupNames[nj]));
1416                     pr_ebin(log, ebin_, igrp_[n], nEc_, nEc_, eprAVER, false);
1417                     n++;
1418                 }
1419             }
1420             fprintf(log, "\n");
1421         }
1422         if (nTC_ > 1)
1423         {
1424             pr_ebin(log, ebin_, itemp_, nTC_, 4, eprAVER, true);
1425             fprintf(log, "\n");
1426         }
1427     }
1428 }
1429
1430 void EnergyOutput::fillEnergyHistory(energyhistory_t* enerhist) const
1431 {
1432     const t_ebin* const ebin = ebin_;
1433
1434     enerhist->nsteps     = ebin->nsteps;
1435     enerhist->nsum       = ebin->nsum;
1436     enerhist->nsteps_sim = ebin->nsteps_sim;
1437     enerhist->nsum_sim   = ebin->nsum_sim;
1438
1439     if (ebin->nsum > 0)
1440     {
1441         /* This will only actually resize the first time */
1442         enerhist->ener_ave.resize(ebin->nener);
1443         enerhist->ener_sum.resize(ebin->nener);
1444
1445         for (int i = 0; i < ebin->nener; i++)
1446         {
1447             enerhist->ener_ave[i] = ebin->e[i].eav;
1448             enerhist->ener_sum[i] = ebin->e[i].esum;
1449         }
1450     }
1451
1452     if (ebin->nsum_sim > 0)
1453     {
1454         /* This will only actually resize the first time */
1455         enerhist->ener_sum_sim.resize(ebin->nener);
1456
1457         for (int i = 0; i < ebin->nener; i++)
1458         {
1459             enerhist->ener_sum_sim[i] = ebin->e_sim[i].esum;
1460         }
1461     }
1462     if (dhc_)
1463     {
1464         mde_delta_h_coll_update_energyhistory(dhc_, enerhist);
1465     }
1466 }
1467
1468 void EnergyOutput::restoreFromEnergyHistory(const energyhistory_t& enerhist)
1469 {
1470     unsigned int nener = static_cast<unsigned int>(ebin_->nener);
1471
1472     if ((enerhist.nsum > 0 && nener != enerhist.ener_sum.size())
1473         || (enerhist.nsum_sim > 0 && nener != enerhist.ener_sum_sim.size()))
1474     {
1475         gmx_fatal(FARGS,
1476                   "Mismatch between number of energies in run input (%u) and checkpoint file (%zu "
1477                   "or %zu).",
1478                   nener,
1479                   enerhist.ener_sum.size(),
1480                   enerhist.ener_sum_sim.size());
1481     }
1482
1483     ebin_->nsteps     = enerhist.nsteps;
1484     ebin_->nsum       = enerhist.nsum;
1485     ebin_->nsteps_sim = enerhist.nsteps_sim;
1486     ebin_->nsum_sim   = enerhist.nsum_sim;
1487
1488     for (int i = 0; i < ebin_->nener; i++)
1489     {
1490         ebin_->e[i].eav      = (enerhist.nsum > 0 ? enerhist.ener_ave[i] : 0);
1491         ebin_->e[i].esum     = (enerhist.nsum > 0 ? enerhist.ener_sum[i] : 0);
1492         ebin_->e_sim[i].esum = (enerhist.nsum_sim > 0 ? enerhist.ener_sum_sim[i] : 0);
1493     }
1494     if (dhc_)
1495     {
1496         mde_delta_h_coll_restore_energyhistory(dhc_, enerhist.deltaHForeignLambdas.get());
1497     }
1498 }
1499
1500 int EnergyOutput::numEnergyTerms() const
1501 {
1502     return ebin_->nener;
1503 }
1504
1505 void EnergyOutput::printEnergyConservation(FILE* fplog, int simulationPart, bool usingMdIntegrator) const
1506 {
1507     if (fplog == nullptr)
1508     {
1509         return;
1510     }
1511
1512     if (conservedEnergyTracker_)
1513     {
1514         std::string partName = formatString("simulation part #%d", simulationPart);
1515         fprintf(fplog, "\n%s\n", conservedEnergyTracker_->energyDriftString(partName).c_str());
1516     }
1517     else if (usingMdIntegrator)
1518     {
1519         fprintf(fplog,
1520                 "\nCannot report drift of the conserved energy quantity because simulations share "
1521                 "state\n\n");
1522     }
1523 }
1524
1525 } // namespace gmx