src/gromacs/mdlib/vsite.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  *                        VERSION 3.2.0
  11  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  12  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  13  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  14  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  15
  16  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  17  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  18  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  19  * of the License, or (at your option) any later version.
  20  *
  21  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  22  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  23  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  24  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  25  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  26  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  27  *
  28  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  29  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  30  *
  31  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  32  *
  33  * And Hey:
  34  * GROwing Monsters And Cloning Shrimps
  35  */
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #include <stdio.h>
  41 #include "typedefs.h"
  42 #include "vsite.h"
  43 #include "macros.h"
  44 #include "smalloc.h"
  45 #include "nrnb.h"
  46 #include "vec.h"
  47 #include "mvdata.h"
  48 #include "network.h"
  49 #include "mshift.h"
  50 #include "pbc.h"
  51 #include "domdec.h"
  52 #include "partdec.h"
  53 #include "mtop_util.h"
  54 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  55 #include "gmx_omp.h"
  56
  57 /* Routines to send/recieve coordinates and force
  58  * of constructing atoms.
  59  */
  60
  61 static void move_construct_x(t_comm_vsites *vsitecomm, rvec x[], t_commrec *cr)
  62 {
  63     rvec *sendbuf;
  64     rvec *recvbuf;
  65     int   i, ia;
  66
  67     sendbuf = vsitecomm->send_buf;
  68     recvbuf = vsitecomm->recv_buf;
  69
  70
  71     /* Prepare pulse left by copying to send buffer */
  72     for (i = 0; i < vsitecomm->left_export_nconstruct; i++)
  73     {
  74         ia = vsitecomm->left_export_construct[i];
  75         copy_rvec(x[ia], sendbuf[i]);
  76     }
  77
  78     /* Pulse coordinates left */
  79     gmx_tx_rx_real(cr, GMX_LEFT, (real *)sendbuf, 3*vsitecomm->left_export_nconstruct, GMX_RIGHT, (real *)recvbuf, 3*vsitecomm->right_import_nconstruct);
  80
  81     /* Copy from receive buffer to coordinate array */
  82     for (i = 0; i < vsitecomm->right_import_nconstruct; i++)
  83     {
  84         ia = vsitecomm->right_import_construct[i];
  85         copy_rvec(recvbuf[i], x[ia]);
  86     }
  87
  88     /* Prepare pulse right by copying to send buffer */
  89     for (i = 0; i < vsitecomm->right_export_nconstruct; i++)
  90     {
  91         ia = vsitecomm->right_export_construct[i];
  92         copy_rvec(x[ia], sendbuf[i]);
  93     }
  94
  95     /* Pulse coordinates right */
  96     gmx_tx_rx_real(cr, GMX_RIGHT, (real *)sendbuf, 3*vsitecomm->right_export_nconstruct, GMX_LEFT, (real *)recvbuf, 3*vsitecomm->left_import_nconstruct);
  97
  98     /* Copy from receive buffer to coordinate array */
  99     for (i = 0; i < vsitecomm->left_import_nconstruct; i++)
 100     {
 101         ia = vsitecomm->left_import_construct[i];
 102         copy_rvec(recvbuf[i], x[ia]);
 103     }
 104 }
 105
 106
 107 static void move_construct_f(t_comm_vsites *vsitecomm, rvec f[], t_commrec *cr)
 108 {
 109     rvec *sendbuf;
 110     rvec *recvbuf;
 111     int   i, ia;
 112
 113     sendbuf = vsitecomm->send_buf;
 114     recvbuf = vsitecomm->recv_buf;
 115
 116     /* Prepare pulse right by copying to send buffer */
 117     for (i = 0; i < vsitecomm->right_import_nconstruct; i++)
 118     {
 119         ia = vsitecomm->right_import_construct[i];
 120         copy_rvec(f[ia], sendbuf[i]);
 121         clear_rvec(f[ia]);     /* Zero it here after moving, just to simplify debug book-keeping... */
 122     }
 123
 124     /* Pulse forces right */
 125     gmx_tx_rx_real(cr, GMX_RIGHT, (real *)sendbuf, 3*vsitecomm->right_import_nconstruct, GMX_LEFT, (real *)recvbuf, 3*vsitecomm->left_export_nconstruct);
 126
 127     /* Copy from receive buffer to coordinate array */
 128     for (i = 0; i < vsitecomm->left_export_nconstruct; i++)
 129     {
 130         ia = vsitecomm->left_export_construct[i];
 131         rvec_inc(f[ia], recvbuf[i]);
 132     }
 133
 134     /* Prepare pulse left by copying to send buffer */
 135     for (i = 0; i < vsitecomm->left_import_nconstruct; i++)
 136     {
 137         ia = vsitecomm->left_import_construct[i];
 138         copy_rvec(f[ia], sendbuf[i]);
 139         clear_rvec(f[ia]);     /* Zero it here after moving, just to simplify debug book-keeping... */
 140     }
 141
 142     /* Pulse coordinates left */
 143     gmx_tx_rx_real(cr, GMX_LEFT, (real *)sendbuf, 3*vsitecomm->left_import_nconstruct, GMX_RIGHT, (real *)recvbuf, 3*vsitecomm->right_export_nconstruct);
 144
 145     /* Copy from receive buffer to coordinate array */
 146     for (i = 0; i < vsitecomm->right_export_nconstruct; i++)
 147     {
 148         ia = vsitecomm->right_export_construct[i];
 149         rvec_inc(f[ia], recvbuf[i]);
 150     }
 151
 152     /* All forces are now on the home processors */
 153 }
 154
 155
 156 static void
 157 pd_clear_nonlocal_constructs(t_comm_vsites *vsitecomm, rvec f[])
 158 {
 159     int i, ia;
 160
 161     for (i = 0; i < vsitecomm->left_import_nconstruct; i++)
 162     {
 163         ia = vsitecomm->left_import_construct[i];
 164         clear_rvec(f[ia]);
 165     }
 166     for (i = 0; i < vsitecomm->right_import_nconstruct; i++)
 167     {
 168         ia = vsitecomm->right_import_construct[i];
 169         clear_rvec(f[ia]);
 170     }
 171 }
 172
 173
 174
 175 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 176 {
 177     if (pbc)
 178     {
 179         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 180     }
 181     else
 182     {
 183         rvec_sub(xi, xj, dx);
 184         return CENTRAL;
 185     }
 186 }
 187
 188 /* Vsite construction routines */
 189
 190 static void constr_vsite2(rvec xi, rvec xj, rvec x, real a, t_pbc *pbc)
 191 {
 192     real b;
 193     rvec dx;
 194
 195     b = 1.0-a;
 196     /* 1 flop */
 197
 198     if (pbc)
 199     {
 200         pbc_dx_aiuc(pbc, xj, xi, dx);
 201         x[XX] = xi[XX] + a*dx[XX];
 202         x[YY] = xi[YY] + a*dx[YY];
 203         x[ZZ] = xi[ZZ] + a*dx[ZZ];
 204     }
 205     else
 206     {
 207         x[XX] = b*xi[XX] + a*xj[XX];
 208         x[YY] = b*xi[YY] + a*xj[YY];
 209         x[ZZ] = b*xi[ZZ] + a*xj[ZZ];
 210         /* 9 Flops */
 211     }
 212
 213     /* TOTAL: 10 flops */
 214 }
 215
 216 static void constr_vsite3(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec x, real a, real b,
 217                           t_pbc *pbc)
 218 {
 219     real c;
 220     rvec dxj, dxk;
 221
 222     c = 1.0-a-b;
 223     /* 2 flops */
 224
 225     if (pbc)
 226     {
 227         pbc_dx_aiuc(pbc, xj, xi, dxj);
 228         pbc_dx_aiuc(pbc, xk, xi, dxk);
 229         x[XX] = xi[XX] + a*dxj[XX] + b*dxk[XX];
 230         x[YY] = xi[YY] + a*dxj[YY] + b*dxk[YY];
 231         x[ZZ] = xi[ZZ] + a*dxj[ZZ] + b*dxk[ZZ];
 232     }
 233     else
 234     {
 235         x[XX] = c*xi[XX] + a*xj[XX] + b*xk[XX];
 236         x[YY] = c*xi[YY] + a*xj[YY] + b*xk[YY];
 237         x[ZZ] = c*xi[ZZ] + a*xj[ZZ] + b*xk[ZZ];
 238         /* 15 Flops */
 239     }
 240
 241     /* TOTAL: 17 flops */
 242 }
 243
 244 static void constr_vsite3FD(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec x, real a, real b,
 245                             t_pbc *pbc)
 246 {
 247     rvec xij, xjk, temp;
 248     real c;
 249
 250     pbc_rvec_sub(pbc, xj, xi, xij);
 251     pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, xjk);
 252     /* 6 flops */
 253
 254     /* temp goes from i to a point on the line jk */
 255     temp[XX] = xij[XX] + a*xjk[XX];
 256     temp[YY] = xij[YY] + a*xjk[YY];
 257     temp[ZZ] = xij[ZZ] + a*xjk[ZZ];
 258     /* 6 flops */
 259
 260     c = b*gmx_invsqrt(iprod(temp, temp));
 261     /* 6 + 10 flops */
 262
 263     x[XX] = xi[XX] + c*temp[XX];
 264     x[YY] = xi[YY] + c*temp[YY];
 265     x[ZZ] = xi[ZZ] + c*temp[ZZ];
 266     /* 6 Flops */
 267
 268     /* TOTAL: 34 flops */
 269 }
 270
 271 static void constr_vsite3FAD(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec x, real a, real b, t_pbc *pbc)
 272 {
 273     rvec xij, xjk, xp;
 274     real a1, b1, c1, invdij;
 275
 276     pbc_rvec_sub(pbc, xj, xi, xij);
 277     pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, xjk);
 278     /* 6 flops */
 279
 280     invdij = gmx_invsqrt(iprod(xij, xij));
 281     c1     = invdij * invdij * iprod(xij, xjk);
 282     xp[XX] = xjk[XX] - c1*xij[XX];
 283     xp[YY] = xjk[YY] - c1*xij[YY];
 284     xp[ZZ] = xjk[ZZ] - c1*xij[ZZ];
 285     a1     = a*invdij;
 286     b1     = b*gmx_invsqrt(iprod(xp, xp));
 287     /* 45 */
 288
 289     x[XX] = xi[XX] + a1*xij[XX] + b1*xp[XX];
 290     x[YY] = xi[YY] + a1*xij[YY] + b1*xp[YY];
 291     x[ZZ] = xi[ZZ] + a1*xij[ZZ] + b1*xp[ZZ];
 292     /* 12 Flops */
 293
 294     /* TOTAL: 63 flops */
 295 }
 296
 297 static void constr_vsite3OUT(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec x,
 298                              real a, real b, real c, t_pbc *pbc)
 299 {
 300     rvec xij, xik, temp;
 301
 302     pbc_rvec_sub(pbc, xj, xi, xij);
 303     pbc_rvec_sub(pbc, xk, xi, xik);
 304     cprod(xij, xik, temp);
 305     /* 15 Flops */
 306
 307     x[XX] = xi[XX] + a*xij[XX] + b*xik[XX] + c*temp[XX];
 308     x[YY] = xi[YY] + a*xij[YY] + b*xik[YY] + c*temp[YY];
 309     x[ZZ] = xi[ZZ] + a*xij[ZZ] + b*xik[ZZ] + c*temp[ZZ];
 310     /* 18 Flops */
 311
 312     /* TOTAL: 33 flops */
 313 }
 314
 315 static void constr_vsite4FD(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec xl, rvec x,
 316                             real a, real b, real c, t_pbc *pbc)
 317 {
 318     rvec xij, xjk, xjl, temp;
 319     real d;
 320
 321     pbc_rvec_sub(pbc, xj, xi, xij);
 322     pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, xjk);
 323     pbc_rvec_sub(pbc, xl, xj, xjl);
 324     /* 9 flops */
 325
 326     /* temp goes from i to a point on the plane jkl */
 327     temp[XX] = xij[XX] + a*xjk[XX] + b*xjl[XX];
 328     temp[YY] = xij[YY] + a*xjk[YY] + b*xjl[YY];
 329     temp[ZZ] = xij[ZZ] + a*xjk[ZZ] + b*xjl[ZZ];
 330     /* 12 flops */
 331
 332     d = c*gmx_invsqrt(iprod(temp, temp));
 333     /* 6 + 10 flops */
 334
 335     x[XX] = xi[XX] + d*temp[XX];
 336     x[YY] = xi[YY] + d*temp[YY];
 337     x[ZZ] = xi[ZZ] + d*temp[ZZ];
 338     /* 6 Flops */
 339
 340     /* TOTAL: 43 flops */
 341 }
 342
 343
 344 static void constr_vsite4FDN(rvec xi, rvec xj, rvec xk, rvec xl, rvec x,
 345                              real a, real b, real c, t_pbc *pbc)
 346 {
 347     rvec xij, xik, xil, ra, rb, rja, rjb, rm;
 348     real d;
 349
 350     pbc_rvec_sub(pbc, xj, xi, xij);
 351     pbc_rvec_sub(pbc, xk, xi, xik);
 352     pbc_rvec_sub(pbc, xl, xi, xil);
 353     /* 9 flops */
 354
 355     ra[XX] = a*xik[XX];
 356     ra[YY] = a*xik[YY];
 357     ra[ZZ] = a*xik[ZZ];
 358
 359     rb[XX] = b*xil[XX];
 360     rb[YY] = b*xil[YY];
 361     rb[ZZ] = b*xil[ZZ];
 362
 363     /* 6 flops */
 364
 365     rvec_sub(ra, xij, rja);
 366     rvec_sub(rb, xij, rjb);
 367     /* 6 flops */
 368
 369     cprod(rja, rjb, rm);
 370     /* 9 flops */
 371
 372     d = c*gmx_invsqrt(norm2(rm));
 373     /* 5+5+1 flops */
 374
 375     x[XX] = xi[XX] + d*rm[XX];
 376     x[YY] = xi[YY] + d*rm[YY];
 377     x[ZZ] = xi[ZZ] + d*rm[ZZ];
 378     /* 6 Flops */
 379
 380     /* TOTAL: 47 flops */
 381 }
 382
 383
 384 static int constr_vsiten(t_iatom *ia, t_iparams ip[],
 385                          rvec *x, t_pbc *pbc)
 386 {
 387     rvec xs, x1, dx;
 388     dvec dsum;
 389     int  n3, av, ai, i;
 390     real a;
 391
 392     n3 = 3*ip[ia[0]].vsiten.n;
 393     av = ia[1];
 394     ai = ia[2];
 395     copy_rvec(x[ai], x1);
 396     clear_dvec(dsum);
 397     for (i = 3; i < n3; i += 3)
 398     {
 399         ai = ia[i+2];
 400         a  = ip[ia[i]].vsiten.a;
 401         if (pbc)
 402         {
 403             pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x1, dx);
 404         }
 405         else
 406         {
 407             rvec_sub(x[ai], x1, dx);
 408         }
 409         dsum[XX] += a*dx[XX];
 410         dsum[YY] += a*dx[YY];
 411         dsum[ZZ] += a*dx[ZZ];
 412         /* 9 Flops */
 413     }
 414
 415     x[av][XX] = x1[XX] + dsum[XX];
 416     x[av][YY] = x1[YY] + dsum[YY];
 417     x[av][ZZ] = x1[ZZ] + dsum[ZZ];
 418
 419     return n3;
 420 }
 421
 422
 423 void construct_vsites_thread(gmx_vsite_t *vsite,
 424                              rvec x[], t_nrnb *nrnb,
 425                              real dt, rvec *v,
 426                              t_iparams ip[], t_ilist ilist[],
 427                              t_pbc *pbc_null)
 428 {
 429     gmx_bool   bPBCAll;
 430     rvec       xpbc, xv, vv, dx;
 431     real       a1, b1, c1, inv_dt;
 432     int        i, inc, ii, nra, nr, tp, ftype;
 433     t_iatom    avsite, ai, aj, ak, al, pbc_atom;
 434     t_iatom   *ia;
 435     t_pbc     *pbc_null2;
 436     int       *vsite_pbc, ishift;
 437     rvec       reftmp, vtmp, rtmp;
 438
 439     if (v != NULL)
 440     {
 441         inv_dt = 1.0/dt;
 442     }
 443     else
 444     {
 445         inv_dt = 1.0;
 446     }
 447
 448     bPBCAll = (pbc_null != NULL && !vsite->bHaveChargeGroups);
 449
 450     pbc_null2 = NULL;
 451     vsite_pbc = NULL;
 452     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
 453     {
 454         if ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
 455             ilist[ftype].nr > 0)
 456         {
 457             nra    = interaction_function[ftype].nratoms;
 458             inc    = 1 + nra;
 459             nr     = ilist[ftype].nr;
 460             ia     = ilist[ftype].iatoms;
 461
 462             if (bPBCAll)
 463             {
 464                 pbc_null2 = pbc_null;
 465             }
 466             else if (pbc_null != NULL)
 467             {
 468                 vsite_pbc = vsite->vsite_pbc_loc[ftype-F_VSITE2];
 469             }
 470
 471             for (i = 0; i < nr; )
 472             {
 473                 tp   = ia[0];
 474
 475                 /* The vsite and constructing atoms */
 476                 avsite = ia[1];
 477                 ai     = ia[2];
 478                 aj     = ia[3];
 479
 480                 /* Constants for constructing vsites */
 481                 a1   = ip[tp].vsite.a;
 482                 /* Check what kind of pbc we need to use */
 483                 if (bPBCAll)
 484                 {
 485                     /* No charge groups, vsite follows its own pbc */
 486                     pbc_atom = avsite;
 487                     copy_rvec(x[avsite], xpbc);
 488                 }
 489                 else if (vsite_pbc != NULL)
 490                 {
 491                     pbc_atom = vsite_pbc[i/(1+nra)];
 492                     if (pbc_atom > -2)
 493                     {
 494                         if (pbc_atom >= 0)
 495                         {
 496                             /* We need to copy the coordinates here,
 497                              * single for single atom cg's pbc_atom
 498                              * is the vsite itself.
 499                              */
 500                             copy_rvec(x[pbc_atom], xpbc);
 501                         }
 502                         pbc_null2 = pbc_null;
 503                     }
 504                     else
 505                     {
 506                         pbc_null2 = NULL;
 507                     }
 508                 }
 509                 else
 510                 {
 511                     pbc_atom = -2;
 512                 }
 513                 /* Copy the old position */
 514                 copy_rvec(x[avsite], xv);
 515
 516                 /* Construct the vsite depending on type */
 517                 switch (ftype)
 518                 {
 519                     case F_VSITE2:
 520                         constr_vsite2(x[ai], x[aj], x[avsite], a1, pbc_null2);
 521                         break;
 522                     case F_VSITE3:
 523                         ak = ia[4];
 524                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 525                         constr_vsite3(x[ai], x[aj], x[ak], x[avsite], a1, b1, pbc_null2);
 526                         break;
 527                     case F_VSITE3FD:
 528                         ak = ia[4];
 529                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 530                         constr_vsite3FD(x[ai], x[aj], x[ak], x[avsite], a1, b1, pbc_null2);
 531                         break;
 532                     case F_VSITE3FAD:
 533                         ak = ia[4];
 534                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 535                         constr_vsite3FAD(x[ai], x[aj], x[ak], x[avsite], a1, b1, pbc_null2);
 536                         break;
 537                     case F_VSITE3OUT:
 538                         ak = ia[4];
 539                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 540                         c1 = ip[tp].vsite.c;
 541                         constr_vsite3OUT(x[ai], x[aj], x[ak], x[avsite], a1, b1, c1, pbc_null2);
 542                         break;
 543                     case F_VSITE4FD:
 544                         ak = ia[4];
 545                         al = ia[5];
 546                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 547                         c1 = ip[tp].vsite.c;
 548                         constr_vsite4FD(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], x[avsite], a1, b1, c1,
 549                                         pbc_null2);
 550                         break;
 551                     case F_VSITE4FDN:
 552                         ak = ia[4];
 553                         al = ia[5];
 554                         b1 = ip[tp].vsite.b;
 555                         c1 = ip[tp].vsite.c;
 556                         constr_vsite4FDN(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], x[avsite], a1, b1, c1,
 557                                          pbc_null2);
 558                         break;
 559                     case F_VSITEN:
 560                         inc = constr_vsiten(ia, ip, x, pbc_null2);
 561                         break;
 562                     default:
 563                         gmx_fatal(FARGS, "No such vsite type %d in %s, line %d",
 564                                   ftype, __FILE__, __LINE__);
 565                 }
 566
 567                 if (pbc_atom >= 0)
 568                 {
 569                     /* Match the pbc of this vsite to the rest of its charge group */
 570                     ishift = pbc_dx_aiuc(pbc_null, x[avsite], xpbc, dx);
 571                     if (ishift != CENTRAL)
 572                     {
 573                         rvec_add(xpbc, dx, x[avsite]);
 574                     }
 575                 }
 576                 if (v != NULL)
 577                 {
 578                     /* Calculate velocity of vsite... */
 579                     rvec_sub(x[avsite], xv, vv);
 580                     svmul(inv_dt, vv, v[avsite]);
 581                 }
 582
 583                 /* Increment loop variables */
 584                 i  += inc;
 585                 ia += inc;
 586             }
 587         }
 588     }
 589 }
 590
 591 void construct_vsites(FILE *log, gmx_vsite_t *vsite,
 592                       rvec x[], t_nrnb *nrnb,
 593                       real dt, rvec *v,
 594                       t_iparams ip[], t_ilist ilist[],
 595                       int ePBC, gmx_bool bMolPBC, t_graph *graph,
 596                       t_commrec *cr, matrix box)
 597 {
 598     t_pbc     pbc, *pbc_null;
 599     gmx_bool  bDomDec;
 600     int       nthreads;
 601
 602     bDomDec = cr && DOMAINDECOMP(cr);
 603
 604     /* We only need to do pbc when we have inter-cg vsites */
 605     if (ePBC != epbcNONE && (bDomDec || bMolPBC) && vsite->n_intercg_vsite)
 606     {
 607         /* This is wasting some CPU time as we now do this multiple times
 608          * per MD step. But how often do we have vsites with full pbc?
 609          */
 610         pbc_null = set_pbc_dd(&pbc, ePBC, cr != NULL ? cr->dd : NULL, FALSE, box);
 611     }
 612     else
 613     {
 614         pbc_null = NULL;
 615     }
 616
 617     if (cr)
 618     {
 619         if (bDomDec)
 620         {
 621             dd_move_x_vsites(cr->dd, box, x);
 622         }
 623         else if (vsite->bPDvsitecomm)
 624         {
 625             /* I'm not sure whether the periodicity and shift are guaranteed
 626              * to be consistent between different nodes when running e.g. polymers
 627              * in parallel. In this special case we thus unshift/shift,
 628              * but only when necessary. This is to make sure the coordinates
 629              * we move don't end up a box away...
 630              */
 631             if (graph != NULL)
 632             {
 633                 unshift_self(graph, box, x);
 634             }
 635
 636             move_construct_x(vsite->vsitecomm, x, cr);
 637
 638             if (graph != NULL)
 639             {
 640                 shift_self(graph, box, x);
 641             }
 642         }
 643     }
 644
 645     if (vsite->nthreads == 1)
 646     {
 647         construct_vsites_thread(vsite,
 648                                 x, nrnb, dt, v,
 649                                 ip, ilist,
 650                                 pbc_null);
 651     }
 652     else
 653     {
 654 #pragma omp parallel num_threads(vsite->nthreads)
 655         {
 656             construct_vsites_thread(vsite,
 657                                     x, nrnb, dt, v,
 658                                     ip, vsite->tdata[gmx_omp_get_thread_num()].ilist,
 659                                     pbc_null);
 660         }
 661         /* Now we can construct the vsites that might depend on other vsites */
 662         construct_vsites_thread(vsite,
 663                                 x, nrnb, dt, v,
 664                                 ip, vsite->tdata[vsite->nthreads].ilist,
 665                                 pbc_null);
 666     }
 667 }
 668
 669 static void spread_vsite2(t_iatom ia[], real a,
 670                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 671                           t_pbc *pbc, t_graph *g)
 672 {
 673     rvec    fi, fj, dx;
 674     t_iatom av, ai, aj;
 675     ivec    di;
 676     real    b;
 677     int     siv, sij;
 678
 679     av = ia[1];
 680     ai = ia[2];
 681     aj = ia[3];
 682
 683     svmul(1-a, f[av], fi);
 684     svmul(  a, f[av], fj);
 685     /* 7 flop */
 686
 687     rvec_inc(f[ai], fi);
 688     rvec_inc(f[aj], fj);
 689     /* 6 Flops */
 690
 691     if (g)
 692     {
 693         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, av), di);
 694         siv = IVEC2IS(di);
 695         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
 696         sij = IVEC2IS(di);
 697     }
 698     else if (pbc)
 699     {
 700         siv = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[av], dx);
 701         sij = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[aj], dx);
 702     }
 703     else
 704     {
 705         siv = CENTRAL;
 706         sij = CENTRAL;
 707     }
 708
 709     if (fshift && (siv != CENTRAL || sij != CENTRAL))
 710     {
 711         rvec_inc(fshift[siv], f[av]);
 712         rvec_dec(fshift[CENTRAL], fi);
 713         rvec_dec(fshift[sij], fj);
 714     }
 715
 716     /* TOTAL: 13 flops */
 717 }
 718
 719 void construct_vsites_mtop(FILE *log, gmx_vsite_t *vsite,
 720                            gmx_mtop_t *mtop, rvec x[])
 721 {
 722     int             as, mb, mol;
 723     gmx_molblock_t *molb;
 724     gmx_moltype_t  *molt;
 725
 726     as = 0;
 727     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 728     {
 729         molb = &mtop->molblock[mb];
 730         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 731         for (mol = 0; mol < molb->nmol; mol++)
 732         {
 733             construct_vsites(log, vsite, x+as, NULL, 0.0, NULL,
 734                              mtop->ffparams.iparams, molt->ilist,
 735                              epbcNONE, TRUE, NULL, NULL, NULL);
 736             as += molt->atoms.nr;
 737         }
 738     }
 739 }
 740
 741 static void spread_vsite3(t_iatom ia[], real a, real b,
 742                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 743                           t_pbc *pbc, t_graph *g)
 744 {
 745     rvec    fi, fj, fk, dx;
 746     atom_id av, ai, aj, ak;
 747     ivec    di;
 748     int     siv, sij, sik;
 749
 750     av = ia[1];
 751     ai = ia[2];
 752     aj = ia[3];
 753     ak = ia[4];
 754
 755     svmul(1-a-b, f[av], fi);
 756     svmul(    a, f[av], fj);
 757     svmul(    b, f[av], fk);
 758     /* 11 flops */
 759
 760     rvec_inc(f[ai], fi);
 761     rvec_inc(f[aj], fj);
 762     rvec_inc(f[ak], fk);
 763     /* 9 Flops */
 764
 765     if (g)
 766     {
 767         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ia[1]), di);
 768         siv = IVEC2IS(di);
 769         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
 770         sij = IVEC2IS(di);
 771         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), di);
 772         sik = IVEC2IS(di);
 773     }
 774     else if (pbc)
 775     {
 776         siv = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[av], dx);
 777         sij = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[aj], dx);
 778         sik = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], x[ak], dx);
 779     }
 780     else
 781     {
 782         siv = CENTRAL;
 783         sij = CENTRAL;
 784         sik = CENTRAL;
 785     }
 786
 787     if (fshift && (siv != CENTRAL || sij != CENTRAL || sik != CENTRAL))
 788     {
 789         rvec_inc(fshift[siv], f[av]);
 790         rvec_dec(fshift[CENTRAL], fi);
 791         rvec_dec(fshift[sij], fj);
 792         rvec_dec(fshift[sik], fk);
 793     }
 794
 795     /* TOTAL: 20 flops */
 796 }
 797
 798 static void spread_vsite3FD(t_iatom ia[], real a, real b,
 799                             rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 800                             gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
 801                             t_pbc *pbc, t_graph *g)
 802 {
 803     real    fx, fy, fz, c, invl, fproj, a1;
 804     rvec    xvi, xij, xjk, xix, fv, temp;
 805     t_iatom av, ai, aj, ak;
 806     int     svi, sji, skj, d;
 807     ivec    di;
 808
 809     av = ia[1];
 810     ai = ia[2];
 811     aj = ia[3];
 812     ak = ia[4];
 813     copy_rvec(f[av], fv);
 814
 815     sji = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], xij);
 816     skj = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], xjk);
 817     /* 6 flops */
 818
 819     /* xix goes from i to point x on the line jk */
 820     xix[XX] = xij[XX]+a*xjk[XX];
 821     xix[YY] = xij[YY]+a*xjk[YY];
 822     xix[ZZ] = xij[ZZ]+a*xjk[ZZ];
 823     /* 6 flops */
 824
 825     invl = gmx_invsqrt(iprod(xix, xix));
 826     c    = b*invl;
 827     /* 4 + ?10? flops */
 828
 829     fproj = iprod(xix, fv)*invl*invl; /* = (xix . f)/(xix . xix) */
 830
 831     temp[XX] = c*(fv[XX]-fproj*xix[XX]);
 832     temp[YY] = c*(fv[YY]-fproj*xix[YY]);
 833     temp[ZZ] = c*(fv[ZZ]-fproj*xix[ZZ]);
 834     /* 16 */
 835
 836     /* c is already calculated in constr_vsite3FD
 837        storing c somewhere will save 26 flops!     */
 838
 839     a1         = 1-a;
 840     f[ai][XX] += fv[XX] - temp[XX];
 841     f[ai][YY] += fv[YY] - temp[YY];
 842     f[ai][ZZ] += fv[ZZ] - temp[ZZ];
 843     f[aj][XX] += a1*temp[XX];
 844     f[aj][YY] += a1*temp[YY];
 845     f[aj][ZZ] += a1*temp[ZZ];
 846     f[ak][XX] += a*temp[XX];
 847     f[ak][YY] += a*temp[YY];
 848     f[ak][ZZ] += a*temp[ZZ];
 849     /* 19 Flops */
 850
 851     if (g)
 852     {
 853         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ia[1]), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
 854         svi = IVEC2IS(di);
 855         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aj), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
 856         sji = IVEC2IS(di);
 857         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
 858         skj = IVEC2IS(di);
 859     }
 860     else if (pbc)
 861     {
 862         svi = pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xvi);
 863     }
 864     else
 865     {
 866         svi = CENTRAL;
 867     }
 868
 869     if (fshift && (svi != CENTRAL || sji != CENTRAL || skj != CENTRAL))
 870     {
 871         rvec_dec(fshift[svi], fv);
 872         fshift[CENTRAL][XX] += fv[XX] - (1 + a)*temp[XX];
 873         fshift[CENTRAL][YY] += fv[YY] - (1 + a)*temp[YY];
 874         fshift[CENTRAL][ZZ] += fv[ZZ] - (1 + a)*temp[ZZ];
 875         fshift[    sji][XX] += temp[XX];
 876         fshift[    sji][YY] += temp[YY];
 877         fshift[    sji][ZZ] += temp[ZZ];
 878         fshift[    skj][XX] += a*temp[XX];
 879         fshift[    skj][YY] += a*temp[YY];
 880         fshift[    skj][ZZ] += a*temp[ZZ];
 881     }
 882
 883     if (VirCorr)
 884     {
 885         /* When VirCorr=TRUE, the virial for the current forces is not
 886          * calculated from the redistributed forces. This means that
 887          * the effect of non-linear virtual site constructions on the virial
 888          * needs to be added separately. This contribution can be calculated
 889          * in many ways, but the simplest and cheapest way is to use
 890          * the first constructing atom ai as a reference position in space:
 891          * subtract (xv-xi)*fv and add (xj-xi)*fj + (xk-xi)*fk.
 892          */
 893         rvec xiv;
 894         int  i, j;
 895
 896         pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xiv);
 897
 898         for (i = 0; i < DIM; i++)
 899         {
 900             for (j = 0; j < DIM; j++)
 901             {
 902                 /* As xix is a linear combination of j and k, use that here */
 903                 dxdf[i][j] += -xiv[i]*fv[j] + xix[i]*temp[j];
 904             }
 905         }
 906     }
 907
 908     /* TOTAL: 61 flops */
 909 }
 910
 911 static void spread_vsite3FAD(t_iatom ia[], real a, real b,
 912                              rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 913                              gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
 914                              t_pbc *pbc, t_graph *g)
 915 {
 916     rvec    xvi, xij, xjk, xperp, Fpij, Fppp, fv, f1, f2, f3;
 917     real    a1, b1, c1, c2, invdij, invdij2, invdp, fproj;
 918     t_iatom av, ai, aj, ak;
 919     int     svi, sji, skj, d;
 920     ivec    di;
 921
 922     av = ia[1];
 923     ai = ia[2];
 924     aj = ia[3];
 925     ak = ia[4];
 926     copy_rvec(f[ia[1]], fv);
 927
 928     sji = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], xij);
 929     skj = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], xjk);
 930     /* 6 flops */
 931
 932     invdij    = gmx_invsqrt(iprod(xij, xij));
 933     invdij2   = invdij * invdij;
 934     c1        = iprod(xij, xjk) * invdij2;
 935     xperp[XX] = xjk[XX] - c1*xij[XX];
 936     xperp[YY] = xjk[YY] - c1*xij[YY];
 937     xperp[ZZ] = xjk[ZZ] - c1*xij[ZZ];
 938     /* xperp in plane ijk, perp. to ij */
 939     invdp = gmx_invsqrt(iprod(xperp, xperp));
 940     a1    = a*invdij;
 941     b1    = b*invdp;
 942     /* 45 flops */
 943
 944     /* a1, b1 and c1 are already calculated in constr_vsite3FAD
 945        storing them somewhere will save 45 flops!     */
 946
 947     fproj = iprod(xij, fv)*invdij2;
 948     svmul(fproj,                      xij,  Fpij);    /* proj. f on xij */
 949     svmul(iprod(xperp, fv)*invdp*invdp, xperp, Fppp); /* proj. f on xperp */
 950     svmul(b1*fproj,                   xperp, f3);
 951     /* 23 flops */
 952
 953     rvec_sub(fv, Fpij, f1); /* f1 = f - Fpij */
 954     rvec_sub(f1, Fppp, f2); /* f2 = f - Fpij - Fppp */
 955     for (d = 0; (d < DIM); d++)
 956     {
 957         f1[d] *= a1;
 958         f2[d] *= b1;
 959     }
 960     /* 12 flops */
 961
 962     c2         = 1+c1;
 963     f[ai][XX] += fv[XX] - f1[XX] + c1*f2[XX] + f3[XX];
 964     f[ai][YY] += fv[YY] - f1[YY] + c1*f2[YY] + f3[YY];
 965     f[ai][ZZ] += fv[ZZ] - f1[ZZ] + c1*f2[ZZ] + f3[ZZ];
 966     f[aj][XX] +=          f1[XX] - c2*f2[XX] - f3[XX];
 967     f[aj][YY] +=          f1[YY] - c2*f2[YY] - f3[YY];
 968     f[aj][ZZ] +=          f1[ZZ] - c2*f2[ZZ] - f3[ZZ];
 969     f[ak][XX] +=                      f2[XX];
 970     f[ak][YY] +=                      f2[YY];
 971     f[ak][ZZ] +=                      f2[ZZ];
 972     /* 30 Flops */
 973
 974     if (g)
 975     {
 976         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ia[1]), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
 977         svi = IVEC2IS(di);
 978         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aj), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
 979         sji = IVEC2IS(di);
 980         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
 981         skj = IVEC2IS(di);
 982     }
 983     else if (pbc)
 984     {
 985         svi = pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xvi);
 986     }
 987     else
 988     {
 989         svi = CENTRAL;
 990     }
 991
 992     if (fshift && (svi != CENTRAL || sji != CENTRAL || skj != CENTRAL))
 993     {
 994         rvec_dec(fshift[svi], fv);
 995         fshift[CENTRAL][XX] += fv[XX] - f1[XX] - (1-c1)*f2[XX] + f3[XX];
 996         fshift[CENTRAL][YY] += fv[YY] - f1[YY] - (1-c1)*f2[YY] + f3[YY];
 997         fshift[CENTRAL][ZZ] += fv[ZZ] - f1[ZZ] - (1-c1)*f2[ZZ] + f3[ZZ];
 998         fshift[    sji][XX] +=          f1[XX] -    c1 *f2[XX] - f3[XX];
 999         fshift[    sji][YY] +=          f1[YY] -    c1 *f2[YY] - f3[YY];
1000         fshift[    sji][ZZ] +=          f1[ZZ] -    c1 *f2[ZZ] - f3[ZZ];
1001         fshift[    skj][XX] +=                          f2[XX];
1002         fshift[    skj][YY] +=                          f2[YY];
1003         fshift[    skj][ZZ] +=                          f2[ZZ];
1004     }
1005
1006     if (VirCorr)
1007     {
1008         rvec xiv;
1009         int  i, j;
1010
1011         pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xiv);
1012
1013         for (i = 0; i < DIM; i++)
1014         {
1015             for (j = 0; j < DIM; j++)
1016             {
1017                 /* Note that xik=xij+xjk, so we have to add xij*f2 */
1018                 dxdf[i][j] +=
1019                     -xiv[i]*fv[j]
1020                     + xij[i]*(f1[j] + (1 - c2)*f2[j] - f3[j])
1021                     + xjk[i]*f2[j];
1022             }
1023         }
1024     }
1025
1026     /* TOTAL: 113 flops */
1027 }
1028
1029 static void spread_vsite3OUT(t_iatom ia[], real a, real b, real c,
1030                              rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1031                              gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
1032                              t_pbc *pbc, t_graph *g)
1033 {
1034     rvec    xvi, xij, xik, fv, fj, fk;
1035     real    cfx, cfy, cfz;
1036     atom_id av, ai, aj, ak;
1037     ivec    di;
1038     int     svi, sji, ski;
1039
1040     av = ia[1];
1041     ai = ia[2];
1042     aj = ia[3];
1043     ak = ia[4];
1044
1045     sji = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], xij);
1046     ski = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[ai], xik);
1047     /* 6 Flops */
1048
1049     copy_rvec(f[av], fv);
1050
1051     cfx = c*fv[XX];
1052     cfy = c*fv[YY];
1053     cfz = c*fv[ZZ];
1054     /* 3 Flops */
1055
1056     fj[XX] = a*fv[XX]     -  xik[ZZ]*cfy +  xik[YY]*cfz;
1057     fj[YY] =  xik[ZZ]*cfx + a*fv[YY]     -  xik[XX]*cfz;
1058     fj[ZZ] = -xik[YY]*cfx +  xik[XX]*cfy + a*fv[ZZ];
1059
1060     fk[XX] = b*fv[XX]     +  xij[ZZ]*cfy -  xij[YY]*cfz;
1061     fk[YY] = -xij[ZZ]*cfx + b*fv[YY]     +  xij[XX]*cfz;
1062     fk[ZZ] =  xij[YY]*cfx -  xij[XX]*cfy + b*fv[ZZ];
1063     /* 30 Flops */
1064
1065     f[ai][XX] += fv[XX] - fj[XX] - fk[XX];
1066     f[ai][YY] += fv[YY] - fj[YY] - fk[YY];
1067     f[ai][ZZ] += fv[ZZ] - fj[ZZ] - fk[ZZ];
1068     rvec_inc(f[aj], fj);
1069     rvec_inc(f[ak], fk);
1070     /* 15 Flops */
1071
1072     if (g)
1073     {
1074         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ia[1]), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1075         svi = IVEC2IS(di);
1076         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aj), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1077         sji = IVEC2IS(di);
1078         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1079         ski = IVEC2IS(di);
1080     }
1081     else if (pbc)
1082     {
1083         svi = pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xvi);
1084     }
1085     else
1086     {
1087         svi = CENTRAL;
1088     }
1089
1090     if (fshift && (svi != CENTRAL || sji != CENTRAL || ski != CENTRAL))
1091     {
1092         rvec_dec(fshift[svi], fv);
1093         fshift[CENTRAL][XX] += fv[XX] - fj[XX] - fk[XX];
1094         fshift[CENTRAL][YY] += fv[YY] - fj[YY] - fk[YY];
1095         fshift[CENTRAL][ZZ] += fv[ZZ] - fj[ZZ] - fk[ZZ];
1096         rvec_inc(fshift[sji], fj);
1097         rvec_inc(fshift[ski], fk);
1098     }
1099
1100     if (VirCorr)
1101     {
1102         rvec xiv;
1103         int  i, j;
1104
1105         pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xiv);
1106
1107         for (i = 0; i < DIM; i++)
1108         {
1109             for (j = 0; j < DIM; j++)
1110             {
1111                 dxdf[i][j] += -xiv[i]*fv[j] + xij[i]*fj[j] + xik[i]*fk[j];
1112             }
1113         }
1114     }
1115
1116     /* TOTAL: 54 flops */
1117 }
1118
1119 static void spread_vsite4FD(t_iatom ia[], real a, real b, real c,
1120                             rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1121                             gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
1122                             t_pbc *pbc, t_graph *g)
1123 {
1124     real    d, invl, fproj, a1;
1125     rvec    xvi, xij, xjk, xjl, xix, fv, temp;
1126     atom_id av, ai, aj, ak, al;
1127     ivec    di;
1128     int     svi, sji, skj, slj, m;
1129
1130     av = ia[1];
1131     ai = ia[2];
1132     aj = ia[3];
1133     ak = ia[4];
1134     al = ia[5];
1135
1136     sji = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], xij);
1137     skj = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], xjk);
1138     slj = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[aj], xjl);
1139     /* 9 flops */
1140
1141     /* xix goes from i to point x on the plane jkl */
1142     for (m = 0; m < DIM; m++)
1143     {
1144         xix[m] = xij[m] + a*xjk[m] + b*xjl[m];
1145     }
1146     /* 12 flops */
1147
1148     invl = gmx_invsqrt(iprod(xix, xix));
1149     d    = c*invl;
1150     /* 4 + ?10? flops */
1151
1152     copy_rvec(f[av], fv);
1153
1154     fproj = iprod(xix, fv)*invl*invl; /* = (xix . f)/(xix . xix) */
1155
1156     for (m = 0; m < DIM; m++)
1157     {
1158         temp[m] = d*(fv[m] - fproj*xix[m]);
1159     }
1160     /* 16 */
1161
1162     /* c is already calculated in constr_vsite3FD
1163        storing c somewhere will save 35 flops!     */
1164
1165     a1 = 1 - a - b;
1166     for (m = 0; m < DIM; m++)
1167     {
1168         f[ai][m] += fv[m] - temp[m];
1169         f[aj][m] += a1*temp[m];
1170         f[ak][m] += a*temp[m];
1171         f[al][m] += b*temp[m];
1172     }
1173     /* 26 Flops */
1174
1175     if (g)
1176     {
1177         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ia[1]), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1178         svi = IVEC2IS(di);
1179         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aj), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1180         sji = IVEC2IS(di);
1181         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
1182         skj = IVEC2IS(di);
1183         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), SHIFT_IVEC(g, aj), di);
1184         slj = IVEC2IS(di);
1185     }
1186     else if (pbc)
1187     {
1188         svi = pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xvi);
1189     }
1190     else
1191     {
1192         svi = CENTRAL;
1193     }
1194
1195     if (fshift &&
1196         (svi != CENTRAL || sji != CENTRAL || skj != CENTRAL || slj != CENTRAL))
1197     {
1198         rvec_dec(fshift[svi], fv);
1199         for (m = 0; m < DIM; m++)
1200         {
1201             fshift[CENTRAL][m] += fv[m] - (1 + a + b)*temp[m];
1202             fshift[    sji][m] += temp[m];
1203             fshift[    skj][m] += a*temp[m];
1204             fshift[    slj][m] += b*temp[m];
1205         }
1206     }
1207
1208     if (VirCorr)
1209     {
1210         rvec xiv;
1211         int  i, j;
1212
1213         pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xiv);
1214
1215         for (i = 0; i < DIM; i++)
1216         {
1217             for (j = 0; j < DIM; j++)
1218             {
1219                 dxdf[i][j] += -xiv[i]*fv[j] + xix[i]*temp[j];
1220             }
1221         }
1222     }
1223
1224     /* TOTAL: 77 flops */
1225 }
1226
1227
1228 static void spread_vsite4FDN(t_iatom ia[], real a, real b, real c,
1229                              rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1230                              gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
1231                              t_pbc *pbc, t_graph *g)
1232 {
1233     rvec xvi, xij, xik, xil, ra, rb, rja, rjb, rab, rm, rt;
1234     rvec fv, fj, fk, fl;
1235     real invrm, denom;
1236     real cfx, cfy, cfz;
1237     ivec di;
1238     int  av, ai, aj, ak, al;
1239     int  svi, sij, sik, sil;
1240
1241     /* DEBUG: check atom indices */
1242     av = ia[1];
1243     ai = ia[2];
1244     aj = ia[3];
1245     ak = ia[4];
1246     al = ia[5];
1247
1248     copy_rvec(f[av], fv);
1249
1250     sij = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], xij);
1251     sik = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[ai], xik);
1252     sil = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ai], xil);
1253     /* 9 flops */
1254
1255     ra[XX] = a*xik[XX];
1256     ra[YY] = a*xik[YY];
1257     ra[ZZ] = a*xik[ZZ];
1258
1259     rb[XX] = b*xil[XX];
1260     rb[YY] = b*xil[YY];
1261     rb[ZZ] = b*xil[ZZ];
1262
1263     /* 6 flops */
1264
1265     rvec_sub(ra, xij, rja);
1266     rvec_sub(rb, xij, rjb);
1267     rvec_sub(rb, ra, rab);
1268     /* 9 flops */
1269
1270     cprod(rja, rjb, rm);
1271     /* 9 flops */
1272
1273     invrm = gmx_invsqrt(norm2(rm));
1274     denom = invrm*invrm;
1275     /* 5+5+2 flops */
1276
1277     cfx = c*invrm*fv[XX];
1278     cfy = c*invrm*fv[YY];
1279     cfz = c*invrm*fv[ZZ];
1280     /* 6 Flops */
1281
1282     cprod(rm, rab, rt);
1283     /* 9 flops */
1284
1285     rt[XX] *= denom;
1286     rt[YY] *= denom;
1287     rt[ZZ] *= denom;
1288     /* 3flops */
1289
1290     fj[XX] = (        -rm[XX]*rt[XX]) * cfx + ( rab[ZZ]-rm[YY]*rt[XX]) * cfy + (-rab[YY]-rm[ZZ]*rt[XX]) * cfz;
1291     fj[YY] = (-rab[ZZ]-rm[XX]*rt[YY]) * cfx + (        -rm[YY]*rt[YY]) * cfy + ( rab[XX]-rm[ZZ]*rt[YY]) * cfz;
1292     fj[ZZ] = ( rab[YY]-rm[XX]*rt[ZZ]) * cfx + (-rab[XX]-rm[YY]*rt[ZZ]) * cfy + (        -rm[ZZ]*rt[ZZ]) * cfz;
1293     /* 30 flops */
1294
1295     cprod(rjb, rm, rt);
1296     /* 9 flops */
1297
1298     rt[XX] *= denom*a;
1299     rt[YY] *= denom*a;
1300     rt[ZZ] *= denom*a;
1301     /* 3flops */
1302
1303     fk[XX] = (          -rm[XX]*rt[XX]) * cfx + (-a*rjb[ZZ]-rm[YY]*rt[XX]) * cfy + ( a*rjb[YY]-rm[ZZ]*rt[XX]) * cfz;
1304     fk[YY] = ( a*rjb[ZZ]-rm[XX]*rt[YY]) * cfx + (          -rm[YY]*rt[YY]) * cfy + (-a*rjb[XX]-rm[ZZ]*rt[YY]) * cfz;
1305     fk[ZZ] = (-a*rjb[YY]-rm[XX]*rt[ZZ]) * cfx + ( a*rjb[XX]-rm[YY]*rt[ZZ]) * cfy + (          -rm[ZZ]*rt[ZZ]) * cfz;
1306     /* 36 flops */
1307
1308     cprod(rm, rja, rt);
1309     /* 9 flops */
1310
1311     rt[XX] *= denom*b;
1312     rt[YY] *= denom*b;
1313     rt[ZZ] *= denom*b;
1314     /* 3flops */
1315
1316     fl[XX] = (          -rm[XX]*rt[XX]) * cfx + ( b*rja[ZZ]-rm[YY]*rt[XX]) * cfy + (-b*rja[YY]-rm[ZZ]*rt[XX]) * cfz;
1317     fl[YY] = (-b*rja[ZZ]-rm[XX]*rt[YY]) * cfx + (          -rm[YY]*rt[YY]) * cfy + ( b*rja[XX]-rm[ZZ]*rt[YY]) * cfz;
1318     fl[ZZ] = ( b*rja[YY]-rm[XX]*rt[ZZ]) * cfx + (-b*rja[XX]-rm[YY]*rt[ZZ]) * cfy + (          -rm[ZZ]*rt[ZZ]) * cfz;
1319     /* 36 flops */
1320
1321     f[ai][XX] += fv[XX] - fj[XX] - fk[XX] - fl[XX];
1322     f[ai][YY] += fv[YY] - fj[YY] - fk[YY] - fl[YY];
1323     f[ai][ZZ] += fv[ZZ] - fj[ZZ] - fk[ZZ] - fl[ZZ];
1324     rvec_inc(f[aj], fj);
1325     rvec_inc(f[ak], fk);
1326     rvec_inc(f[al], fl);
1327     /* 21 flops */
1328
1329     if (g)
1330     {
1331         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, av), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1332         svi = IVEC2IS(di);
1333         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aj), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1334         sij = IVEC2IS(di);
1335         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1336         sik = IVEC2IS(di);
1337         ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), SHIFT_IVEC(g, ai), di);
1338         sil = IVEC2IS(di);
1339     }
1340     else if (pbc)
1341     {
1342         svi = pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xvi);
1343     }
1344     else
1345     {
1346         svi = CENTRAL;
1347     }
1348
1349     if (fshift && (svi != CENTRAL || sij != CENTRAL || sik != CENTRAL || sil != CENTRAL))
1350     {
1351         rvec_dec(fshift[svi], fv);
1352         fshift[CENTRAL][XX] += fv[XX] - fj[XX] - fk[XX] - fl[XX];
1353         fshift[CENTRAL][YY] += fv[YY] - fj[YY] - fk[YY] - fl[YY];
1354         fshift[CENTRAL][ZZ] += fv[ZZ] - fj[ZZ] - fk[ZZ] - fl[ZZ];
1355         rvec_inc(fshift[sij], fj);
1356         rvec_inc(fshift[sik], fk);
1357         rvec_inc(fshift[sil], fl);
1358     }
1359
1360     if (VirCorr)
1361     {
1362         rvec xiv;
1363         int  i, j;
1364
1365         pbc_rvec_sub(pbc, x[av], x[ai], xiv);
1366
1367         for (i = 0; i < DIM; i++)
1368         {
1369             for (j = 0; j < DIM; j++)
1370             {
1371                 dxdf[i][j] += -xiv[i]*fv[j] + xij[i]*fj[j] + xik[i]*fk[j] + xil[i]*fl[j];
1372             }
1373         }
1374     }
1375
1376     /* Total: 207 flops (Yuck!) */
1377 }
1378
1379
1380 static int spread_vsiten(t_iatom ia[], t_iparams ip[],
1381                          rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1382                          t_pbc *pbc, t_graph *g)
1383 {
1384     rvec xv, dx, fi;
1385     int  n3, av, i, ai;
1386     real a;
1387     ivec di;
1388     int  siv;
1389
1390     n3 = 3*ip[ia[0]].vsiten.n;
1391     av = ia[1];
1392     copy_rvec(x[av], xv);
1393
1394     for (i = 0; i < n3; i += 3)
1395     {
1396         ai = ia[i+2];
1397         if (g)
1398         {
1399             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, av), di);
1400             siv = IVEC2IS(di);
1401         }
1402         else if (pbc)
1403         {
1404             siv = pbc_dx_aiuc(pbc, x[ai], xv, dx);
1405         }
1406         else
1407         {
1408             siv = CENTRAL;
1409         }
1410         a = ip[ia[i]].vsiten.a;
1411         svmul(a, f[av], fi);
1412         rvec_inc(f[ai], fi);
1413         if (fshift && siv != CENTRAL)
1414         {
1415             rvec_inc(fshift[siv], fi);
1416             rvec_dec(fshift[CENTRAL], fi);
1417         }
1418         /* 6 Flops */
1419     }
1420
1421     return n3;
1422 }
1423
1424
1425 static int vsite_count(const t_ilist *ilist, int ftype)
1426 {
1427     if (ftype == F_VSITEN)
1428     {
1429         return ilist[ftype].nr/3;
1430     }
1431     else
1432     {
1433         return ilist[ftype].nr/(1 + interaction_function[ftype].nratoms);
1434     }
1435 }
1436
1437 static void spread_vsite_f_thread(gmx_vsite_t *vsite,
1438                                   rvec x[], rvec f[], rvec *fshift,
1439                                   gmx_bool VirCorr, matrix dxdf,
1440                                   t_iparams ip[], t_ilist ilist[],
1441                                   t_graph *g, t_pbc *pbc_null)
1442 {
1443     gmx_bool   bPBCAll;
1444     real       a1, b1, c1;
1445     int        i, inc, m, nra, nr, tp, ftype;
1446     t_iatom   *ia;
1447     t_pbc     *pbc_null2;
1448     int       *vsite_pbc;
1449
1450     if (VirCorr)
1451     {
1452         clear_mat(dxdf);
1453     }
1454
1455     bPBCAll = (pbc_null != NULL && !vsite->bHaveChargeGroups);
1456
1457     /* this loop goes backwards to be able to build *
1458      * higher type vsites from lower types         */
1459     pbc_null2 = NULL;
1460     vsite_pbc = NULL;
1461     for (ftype = F_NRE-1; (ftype >= 0); ftype--)
1462     {
1463         if ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
1464             ilist[ftype].nr > 0)
1465         {
1466             nra    = interaction_function[ftype].nratoms;
1467             inc    = 1 + nra;
1468             nr     = ilist[ftype].nr;
1469             ia     = ilist[ftype].iatoms;
1470
1471             if (bPBCAll)
1472             {
1473                 pbc_null2 = pbc_null;
1474             }
1475             else if (pbc_null != NULL)
1476             {
1477                 vsite_pbc = vsite->vsite_pbc_loc[ftype-F_VSITE2];
1478             }
1479
1480             for (i = 0; i < nr; )
1481             {
1482                 if (vsite_pbc != NULL)
1483                 {
1484                     if (vsite_pbc[i/(1+nra)] > -2)
1485                     {
1486                         pbc_null2 = pbc_null;
1487                     }
1488                     else
1489                     {
1490                         pbc_null2 = NULL;
1491                     }
1492                 }
1493
1494                 tp   = ia[0];
1495
1496                 /* Constants for constructing */
1497                 a1   = ip[tp].vsite.a;
1498                 /* Construct the vsite depending on type */
1499                 switch (ftype)
1500                 {
1501                     case F_VSITE2:
1502                         spread_vsite2(ia, a1, x, f, fshift, pbc_null2, g);
1503                         break;
1504                     case F_VSITE3:
1505                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1506                         spread_vsite3(ia, a1, b1, x, f, fshift, pbc_null2, g);
1507                         break;
1508                     case F_VSITE3FD:
1509                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1510                         spread_vsite3FD(ia, a1, b1, x, f, fshift, VirCorr, dxdf, pbc_null2, g);
1511                         break;
1512                     case F_VSITE3FAD:
1513                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1514                         spread_vsite3FAD(ia, a1, b1, x, f, fshift, VirCorr, dxdf, pbc_null2, g);
1515                         break;
1516                     case F_VSITE3OUT:
1517                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1518                         c1 = ip[tp].vsite.c;
1519                         spread_vsite3OUT(ia, a1, b1, c1, x, f, fshift, VirCorr, dxdf, pbc_null2, g);
1520                         break;
1521                     case F_VSITE4FD:
1522                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1523                         c1 = ip[tp].vsite.c;
1524                         spread_vsite4FD(ia, a1, b1, c1, x, f, fshift, VirCorr, dxdf, pbc_null2, g);
1525                         break;
1526                     case F_VSITE4FDN:
1527                         b1 = ip[tp].vsite.b;
1528                         c1 = ip[tp].vsite.c;
1529                         spread_vsite4FDN(ia, a1, b1, c1, x, f, fshift, VirCorr, dxdf, pbc_null2, g);
1530                         break;
1531                     case F_VSITEN:
1532                         inc = spread_vsiten(ia, ip, x, f, fshift, pbc_null2, g);
1533                         break;
1534                     default:
1535                         gmx_fatal(FARGS, "No such vsite type %d in %s, line %d",
1536                                   ftype, __FILE__, __LINE__);
1537                 }
1538                 clear_rvec(f[ia[1]]);
1539
1540                 /* Increment loop variables */
1541                 i  += inc;
1542                 ia += inc;
1543             }
1544         }
1545     }
1546 }
1547
1548 void spread_vsite_f(FILE *log, gmx_vsite_t *vsite,
1549                     rvec x[], rvec f[], rvec *fshift,
1550                     gmx_bool VirCorr, matrix vir,
1551                     t_nrnb *nrnb, t_idef *idef,
1552                     int ePBC, gmx_bool bMolPBC, t_graph *g, matrix box,
1553                     t_commrec *cr)
1554 {
1555     t_pbc pbc, *pbc_null;
1556     int   th;
1557
1558     /* We only need to do pbc when we have inter-cg vsites */
1559     if ((DOMAINDECOMP(cr) || bMolPBC) && vsite->n_intercg_vsite)
1560     {
1561         /* This is wasting some CPU time as we now do this multiple times
1562          * per MD step. But how often do we have vsites with full pbc?
1563          */
1564         pbc_null = set_pbc_dd(&pbc, ePBC, cr->dd, FALSE, box);
1565     }
1566     else
1567     {
1568         pbc_null = NULL;
1569     }
1570
1571     if (DOMAINDECOMP(cr))
1572     {
1573         dd_clear_f_vsites(cr->dd, f);
1574     }
1575     else if (PARTDECOMP(cr) && vsite->vsitecomm != NULL)
1576     {
1577         pd_clear_nonlocal_constructs(vsite->vsitecomm, f);
1578     }
1579
1580     if (vsite->nthreads == 1)
1581     {
1582         spread_vsite_f_thread(vsite,
1583                               x, f, fshift,
1584                               VirCorr, vsite->tdata[0].dxdf,
1585                               idef->iparams, idef->il,
1586                               g, pbc_null);
1587     }
1588     else
1589     {
1590         /* First spread the vsites that might depend on other vsites */
1591         spread_vsite_f_thread(vsite,
1592                               x, f, fshift,
1593                               VirCorr, vsite->tdata[vsite->nthreads].dxdf,
1594                               idef->iparams,
1595                               vsite->tdata[vsite->nthreads].ilist,
1596                               g, pbc_null);
1597
1598 #pragma omp parallel num_threads(vsite->nthreads)
1599         {
1600             int   thread;
1601             rvec *fshift_t;
1602
1603             thread = gmx_omp_get_thread_num();
1604
1605             if (thread == 0 || fshift == NULL)
1606             {
1607                 fshift_t = fshift;
1608             }
1609             else
1610             {
1611                 int i;
1612
1613                 fshift_t = vsite->tdata[thread].fshift;
1614
1615                 for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
1616                 {
1617                     clear_rvec(fshift_t[i]);
1618                 }
1619             }
1620
1621             spread_vsite_f_thread(vsite,
1622                                   x, f, fshift_t,
1623                                   VirCorr, vsite->tdata[thread].dxdf,
1624                                   idef->iparams,
1625                                   vsite->tdata[thread].ilist,
1626                                   g, pbc_null);
1627         }
1628
1629         if (fshift != NULL)
1630         {
1631             int i;
1632
1633             for (th = 1; th < vsite->nthreads; th++)
1634             {
1635                 for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
1636                 {
1637                     rvec_inc(fshift[i], vsite->tdata[th].fshift[i]);
1638                 }
1639             }
1640         }
1641     }
1642
1643     if (VirCorr)
1644     {
1645         int i, j;
1646
1647         for (th = 0; th < (vsite->nthreads == 1 ? 1 : vsite->nthreads+1); th++)
1648         {
1649             for (i = 0; i < DIM; i++)
1650             {
1651                 for (j = 0; j < DIM; j++)
1652                 {
1653                     vir[i][j] += -0.5*vsite->tdata[th].dxdf[i][j];
1654                 }
1655             }
1656         }
1657     }
1658
1659     if (DOMAINDECOMP(cr))
1660     {
1661         dd_move_f_vsites(cr->dd, f, fshift);
1662     }
1663     else if (vsite->bPDvsitecomm)
1664     {
1665         /* We only move forces here, and they are independent of shifts */
1666         move_construct_f(vsite->vsitecomm, f, cr);
1667     }
1668
1669     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE2,   vsite_count(idef->il, F_VSITE2));
1670     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE3,   vsite_count(idef->il, F_VSITE3));
1671     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE3FD, vsite_count(idef->il, F_VSITE3FD));
1672     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE3FAD, vsite_count(idef->il, F_VSITE3FAD));
1673     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE3OUT, vsite_count(idef->il, F_VSITE3OUT));
1674     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE4FD, vsite_count(idef->il, F_VSITE4FD));
1675     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITE4FDN, vsite_count(idef->il, F_VSITE4FDN));
1676     inc_nrnb(nrnb, eNR_VSITEN,   vsite_count(idef->il, F_VSITEN));
1677 }
1678
1679 static int *atom2cg(t_block *cgs)
1680 {
1681     int *a2cg, cg, i;
1682
1683     snew(a2cg, cgs->index[cgs->nr]);
1684     for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
1685     {
1686         for (i = cgs->index[cg]; i < cgs->index[cg+1]; i++)
1687         {
1688             a2cg[i] = cg;
1689         }
1690     }
1691
1692     return a2cg;
1693 }
1694
1695 static int count_intercg_vsite(gmx_mtop_t *mtop,
1696                                gmx_bool   *bHaveChargeGroups)
1697 {
1698     int             mb, mt, ftype, nral, i, cg, a;
1699     gmx_molblock_t *molb;
1700     gmx_moltype_t  *molt;
1701     int            *a2cg;
1702     t_ilist        *il;
1703     t_iatom        *ia;
1704     int             n_intercg_vsite;
1705
1706     *bHaveChargeGroups = FALSE;
1707
1708     n_intercg_vsite = 0;
1709     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1710     {
1711         molb = &mtop->molblock[mb];
1712         molt = &mtop->moltype[molb->type];
1713
1714         if (molt->cgs.nr < molt->atoms.nr)
1715         {
1716             *bHaveChargeGroups = TRUE;
1717         }
1718
1719         a2cg = atom2cg(&molt->cgs);
1720         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1721         {
1722             if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
1723             {
1724                 nral = NRAL(ftype);
1725                 il   = &molt->ilist[ftype];
1726                 ia   = il->iatoms;
1727                 for (i = 0; i < il->nr; i += 1+nral)
1728                 {
1729                     cg = a2cg[ia[1+i]];
1730                     for (a = 1; a < nral; a++)
1731                     {
1732                         if (a2cg[ia[1+a]] != cg)
1733                         {
1734                             n_intercg_vsite += molb->nmol;
1735                             break;
1736                         }
1737                     }
1738                 }
1739             }
1740         }
1741         sfree(a2cg);
1742     }
1743
1744     return n_intercg_vsite;
1745 }
1746
1747 static int **get_vsite_pbc(t_iparams *iparams, t_ilist *ilist,
1748                            t_atom *atom, t_mdatoms *md,
1749                            t_block *cgs, int *a2cg)
1750 {
1751     int      ftype, nral, i, j, vsi, vsite, cg_v, cg_c, a, nc3 = 0;
1752     t_ilist *il;
1753     t_iatom *ia;
1754     int    **vsite_pbc, *vsite_pbc_f;
1755     char    *pbc_set;
1756     gmx_bool bViteOnlyCG_and_FirstAtom;
1757
1758     /* Make an array that tells if the pbc of an atom is set */
1759     snew(pbc_set, cgs->index[cgs->nr]);
1760     /* PBC is set for all non vsites */
1761     for (a = 0; a < cgs->index[cgs->nr]; a++)
1762     {
1763         if ((atom && atom[a].ptype != eptVSite) ||
1764             (md   && md->ptype[a]  != eptVSite))
1765         {
1766             pbc_set[a] = 1;
1767         }
1768     }
1769
1770     snew(vsite_pbc, F_VSITEN-F_VSITE2+1);
1771
1772     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1773     {
1774         if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
1775         {
1776             nral = NRAL(ftype);
1777             il   = &ilist[ftype];
1778             ia   = il->iatoms;
1779
1780             snew(vsite_pbc[ftype-F_VSITE2], il->nr/(1+nral));
1781             vsite_pbc_f = vsite_pbc[ftype-F_VSITE2];
1782
1783             i = 0;
1784             while (i < il->nr)
1785             {
1786                 vsi   = i/(1+nral);
1787                 vsite = ia[i+1];
1788                 cg_v  = a2cg[vsite];
1789                 /* A value of -2 signals that this vsite and its contructing
1790                  * atoms are all within the same cg, so no pbc is required.
1791                  */
1792                 vsite_pbc_f[vsi] = -2;
1793                 /* Check if constructing atoms are outside the vsite's cg */
1794                 nc3 = 0;
1795                 if (ftype == F_VSITEN)
1796                 {
1797                     nc3 = 3*iparams[ia[i]].vsiten.n;
1798                     for (j = 0; j < nc3; j += 3)
1799                     {
1800                         if (a2cg[ia[i+j+2]] != cg_v)
1801                         {
1802                             vsite_pbc_f[vsi] = -1;
1803                         }
1804                     }
1805                 }
1806                 else
1807                 {
1808                     for (a = 1; a < nral; a++)
1809                     {
1810                         if (a2cg[ia[i+1+a]] != cg_v)
1811                         {
1812                             vsite_pbc_f[vsi] = -1;
1813                         }
1814                     }
1815                 }
1816                 if (vsite_pbc_f[vsi] == -1)
1817                 {
1818                     /* Check if this is the first processed atom of a vsite only cg */
1819                     bViteOnlyCG_and_FirstAtom = TRUE;
1820                     for (a = cgs->index[cg_v]; a < cgs->index[cg_v+1]; a++)
1821                     {
1822                         /* Non-vsites already have pbc set, so simply check for pbc_set */
1823                         if (pbc_set[a])
1824                         {
1825                             bViteOnlyCG_and_FirstAtom = FALSE;
1826                             break;
1827                         }
1828                     }
1829                     if (bViteOnlyCG_and_FirstAtom)
1830                     {
1831                         /* First processed atom of a vsite only charge group.
1832                          * The pbc of the input coordinates to construct_vsites
1833                          * should be preserved.
1834                          */
1835                         vsite_pbc_f[vsi] = vsite;
1836                     }
1837                     else if (cg_v != a2cg[ia[1+i+1]])
1838                     {
1839                         /* This vsite has a different charge group index
1840                          * than it's first constructing atom
1841                          * and the charge group has more than one atom,
1842                          * search for the first normal particle
1843                          * or vsite that already had its pbc defined.
1844                          * If nothing is found, use full pbc for this vsite.
1845                          */
1846                         for (a = cgs->index[cg_v]; a < cgs->index[cg_v+1]; a++)
1847                         {
1848                             if (a != vsite && pbc_set[a])
1849                             {
1850                                 vsite_pbc_f[vsi] = a;
1851                                 if (gmx_debug_at)
1852                                 {
1853                                     fprintf(debug, "vsite %d match pbc with atom %d\n",
1854                                             vsite+1, a+1);
1855                                 }
1856                                 break;
1857                             }
1858                         }
1859                         if (gmx_debug_at)
1860                         {
1861                             fprintf(debug, "vsite atom %d  cg %d - %d pbc atom %d\n",
1862                                     vsite+1, cgs->index[cg_v]+1, cgs->index[cg_v+1],
1863                                     vsite_pbc_f[vsi]+1);
1864                         }
1865                     }
1866                 }
1867                 if (ftype == F_VSITEN)
1868                 {
1869                     /* The other entries in vsite_pbc_f are not used for center vsites */
1870                     i += nc3;
1871                 }
1872                 else
1873                 {
1874                     i += 1+nral;
1875                 }
1876
1877                 /* This vsite now has its pbc defined */
1878                 pbc_set[vsite] = 1;
1879             }
1880         }
1881     }
1882
1883     sfree(pbc_set);
1884
1885     return vsite_pbc;
1886 }
1887
1888
1889 gmx_vsite_t *init_vsite(gmx_mtop_t *mtop, t_commrec *cr,
1890                         gmx_bool bSerial_NoPBC)
1891 {
1892     int            nvsite, i;
1893     int           *a2cg, cg;
1894     gmx_vsite_t   *vsite;
1895     int            mt;
1896     gmx_moltype_t *molt;
1897     int            nthreads;
1898
1899     /* check if there are vsites */
1900     nvsite = 0;
1901     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
1902     {
1903         if (interaction_function[i].flags & IF_VSITE)
1904         {
1905             nvsite += gmx_mtop_ftype_count(mtop, i);
1906         }
1907     }
1908
1909     if (nvsite == 0)
1910     {
1911         return NULL;
1912     }
1913
1914     snew(vsite, 1);
1915
1916     vsite->n_intercg_vsite = count_intercg_vsite(mtop,
1917                                                  &vsite->bHaveChargeGroups);
1918
1919     /* If we don't have charge groups, the vsite follows its own pbc */
1920     if (!bSerial_NoPBC &&
1921         vsite->bHaveChargeGroups &&
1922         vsite->n_intercg_vsite > 0 && DOMAINDECOMP(cr))
1923     {
1924         vsite->nvsite_pbc_molt = mtop->nmoltype;
1925         snew(vsite->vsite_pbc_molt, vsite->nvsite_pbc_molt);
1926         for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1927         {
1928             molt = &mtop->moltype[mt];
1929             /* Make an atom to charge group index */
1930             a2cg = atom2cg(&molt->cgs);
1931             vsite->vsite_pbc_molt[mt] = get_vsite_pbc(mtop->ffparams.iparams,
1932                                                       molt->ilist,
1933                                                       molt->atoms.atom, NULL,
1934                                                       &molt->cgs, a2cg);
1935             sfree(a2cg);
1936         }
1937
1938         snew(vsite->vsite_pbc_loc_nalloc, F_VSITEN-F_VSITE2+1);
1939         snew(vsite->vsite_pbc_loc, F_VSITEN-F_VSITE2+1);
1940     }
1941
1942     if (bSerial_NoPBC)
1943     {
1944         vsite->nthreads = 1;
1945     }
1946     else
1947     {
1948         vsite->nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntVSITE);
1949     }
1950     if (!bSerial_NoPBC)
1951     {
1952         /* We need one extra thread data structure for the overlap vsites */
1953         snew(vsite->tdata, vsite->nthreads+1);
1954     }
1955
1956     vsite->th_ind        = NULL;
1957     vsite->th_ind_nalloc = 0;
1958
1959     return vsite;
1960 }
1961
1962 static void prepare_vsite_thread(const t_ilist      *ilist,
1963                                  gmx_vsite_thread_t *vsite_th)
1964 {
1965     int ftype;
1966
1967     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1968     {
1969         if (interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE)
1970         {
1971             if (ilist[ftype].nr > vsite_th->ilist[ftype].nalloc)
1972             {
1973                 vsite_th->ilist[ftype].nalloc = over_alloc_large(ilist[ftype].nr);
1974                 srenew(vsite_th->ilist[ftype].iatoms, vsite_th->ilist[ftype].nalloc);
1975             }
1976
1977             vsite_th->ilist[ftype].nr = 0;
1978         }
1979     }
1980 }
1981
1982 void split_vsites_over_threads(const t_ilist   *ilist,
1983                                const t_mdatoms *mdatoms,
1984                                gmx_bool         bLimitRange,
1985                                gmx_vsite_t     *vsite)
1986 {
1987     int      th;
1988     int      vsite_atom_range, natperthread;
1989     int     *th_ind;
1990     int      ftype;
1991     t_iatom *iat;
1992     t_ilist *il_th;
1993     int      nral1, inc, i, j;
1994
1995     if (vsite->nthreads == 1)
1996     {
1997         /* Nothing to do */
1998         return;
1999     }
2000
2001 #pragma omp parallel for num_threads(vsite->nthreads) schedule(static)
2002     for (th = 0; th < vsite->nthreads; th++)
2003     {
2004         prepare_vsite_thread(ilist, &vsite->tdata[th]);
2005     }
2006     /* Master threads does the (potential) overlap vsites */
2007     prepare_vsite_thread(ilist, &vsite->tdata[vsite->nthreads]);
2008
2009     /* The current way of distributing the vsites over threads in primitive.
2010      * We divide the atom range 0 - natoms_in_vsite uniformly over threads,
2011      * without taking into account how the vsites are distributed.
2012      * Without domain decomposition we bLimitRange=TRUE and we at least
2013      * tighten the upper bound of the range (useful for common systems
2014      * such as a vsite-protein in 3-site water).
2015      */
2016     if (bLimitRange)
2017     {
2018         vsite_atom_range = -1;
2019         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
2020         {
2021             if ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
2022                 ftype != F_VSITEN)
2023             {
2024                 nral1 = 1 + NRAL(ftype);
2025                 iat   = ilist[ftype].iatoms;
2026                 for (i = 0; i < ilist[ftype].nr; i += nral1)
2027                 {
2028                     for (j = i+1; j < i+nral1; j++)
2029                     {
2030                         vsite_atom_range = max(vsite_atom_range, iat[j]);
2031                     }
2032                 }
2033             }
2034         }
2035         vsite_atom_range++;
2036     }
2037     else
2038     {
2039         vsite_atom_range = mdatoms->homenr;
2040     }
2041     natperthread = (vsite_atom_range + vsite->nthreads - 1)/vsite->nthreads;
2042
2043     if (debug)
2044     {
2045         fprintf(debug, "virtual site thread dist: natoms %d, range %d, natperthread %d\n", mdatoms->nr, vsite_atom_range, natperthread);
2046     }
2047
2048     /* To simplify the vsite assignment, we make an index which tells us
2049      * to which thread particles, both non-vsites and vsites, are assigned.
2050      */
2051     if (mdatoms->nr > vsite->th_ind_nalloc)
2052     {
2053         vsite->th_ind_nalloc = over_alloc_large(mdatoms->nr);
2054         srenew(vsite->th_ind, vsite->th_ind_nalloc);
2055     }
2056     th_ind = vsite->th_ind;
2057     th     = 0;
2058     for (i = 0; i < mdatoms->nr; i++)
2059     {
2060         if (mdatoms->ptype[i] == eptVSite)
2061         {
2062             /* vsites are not assigned to a thread yet */
2063             th_ind[i] = -1;
2064         }
2065         else
2066         {
2067             /* assign non-vsite particles to thread th */
2068             th_ind[i] = th;
2069         }
2070         if (i == (th + 1)*natperthread && th < vsite->nthreads)
2071         {
2072             th++;
2073         }
2074     }
2075
2076     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
2077     {
2078         if ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
2079             ftype != F_VSITEN)
2080         {
2081             nral1 = 1 + NRAL(ftype);
2082             inc   = nral1;
2083             iat   = ilist[ftype].iatoms;
2084             for (i = 0; i < ilist[ftype].nr; )
2085             {
2086                 th = iat[1+i]/natperthread;
2087                 /* We would like to assign this vsite the thread th,
2088                  * but it might depend on atoms outside the atom range of th
2089                  * or on another vsite not assigned to thread th.
2090                  */
2091                 if (ftype != F_VSITEN)
2092                 {
2093                     for (j = i+2; j < i+nral1; j++)
2094                     {
2095                         if (th_ind[iat[j]] != th)
2096                         {
2097                             /* Some constructing atoms are not assigned to
2098                              * thread th, move this vsite to a separate batch.
2099                              */
2100                             th = vsite->nthreads;
2101                         }
2102                     }
2103                 }
2104                 else
2105                 {
2106                     inc = iat[i];
2107                     for (j = i+2; j < i+inc; j += 3)
2108                     {
2109                         if (th_ind[iat[j]] != th)
2110                         {
2111                             th = vsite->nthreads;
2112                         }
2113                     }
2114                 }
2115                 /* Copy this vsite to the thread data struct of thread th */
2116                 il_th = &vsite->tdata[th].ilist[ftype];
2117                 for (j = i; j < i+inc; j++)
2118                 {
2119                     il_th->iatoms[il_th->nr++] = iat[j];
2120                 }
2121                 /* Update this vsite's thread index entry */
2122                 th_ind[iat[1+i]] = th;
2123
2124                 i += inc;
2125             }
2126         }
2127     }
2128
2129     if (debug)
2130     {
2131         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
2132         {
2133             if ((interaction_function[ftype].flags & IF_VSITE) &&
2134                 ilist[ftype].nr > 0)
2135             {
2136                 fprintf(debug, "%-20s thread dist:",
2137                         interaction_function[ftype].longname);
2138                 for (th = 0; th < vsite->nthreads+1; th++)
2139                 {
2140                     fprintf(debug, " %4d", vsite->tdata[th].ilist[ftype].nr);
2141                 }
2142                 fprintf(debug, "\n");
2143             }
2144         }
2145     }
2146 }
2147
2148 void set_vsite_top(gmx_vsite_t *vsite, gmx_localtop_t *top, t_mdatoms *md,
2149                    t_commrec *cr)
2150 {
2151     int *a2cg;
2152
2153     if (vsite->n_intercg_vsite > 0)
2154     {
2155         if (vsite->bHaveChargeGroups)
2156         {
2157             /* Make an atom to charge group index */
2158             a2cg                 = atom2cg(&top->cgs);
2159             vsite->vsite_pbc_loc = get_vsite_pbc(top->idef.iparams,
2160                                                  top->idef.il, NULL, md,
2161                                                  &top->cgs, a2cg);
2162             sfree(a2cg);
2163         }
2164
2165         if (PARTDECOMP(cr))
2166         {
2167             snew(vsite->vsitecomm, 1);
2168             vsite->bPDvsitecomm =
2169                 setup_parallel_vsites(&(top->idef), cr, vsite->vsitecomm);
2170         }
2171     }
2172
2173     if (vsite->nthreads > 1)
2174     {
2175         if (vsite->bHaveChargeGroups || PARTDECOMP(cr))
2176         {
2177             gmx_incons("Can not use threads virtual sites combined with charge groups or particle decomposition");
2178         }
2179
2180         split_vsites_over_threads(top->idef.il, md, !DOMAINDECOMP(cr), vsite);
2181     }
2182 }