Merge branch 'release-2019' into master
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdrun / runner.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) 2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
10  *
11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
14  * of the License, or (at your option) any later version.
15  *
16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
19  * Lesser General Public License for more details.
20  *
21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
22  * License along with GROMACS; if not, see
23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
25  *
26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
27  * consider that scientific software is very special. Version
28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
32  * official version at http://www.gromacs.org.
33  *
34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
36  */
37 /*! \internal \file
38  *
39  * \brief Implements the MD runner routine calling all integrators.
40  *
41  * \author David van der Spoel <david.vanderspoel@icm.uu.se>
42  * \ingroup module_mdrun
43  */
44 #include "gmxpre.h"
45
46 #include "runner.h"
47
48 #include "config.h"
49
50 #include <cassert>
51 #include <cinttypes>
52 #include <csignal>
53 #include <cstdlib>
54 #include <cstring>
55
56 #include <algorithm>
57 #include <memory>
58
59 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
60 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
61 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
62 #include "gromacs/domdec/localatomsetmanager.h"
63 #include "gromacs/ewald/ewald_utils.h"
64 #include "gromacs/ewald/pme.h"
65 #include "gromacs/ewald/pme_gpu_program.h"
66 #include "gromacs/fileio/checkpoint.h"
67 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
68 #include "gromacs/fileio/oenv.h"
69 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
70 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
71 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
72 #include "gromacs/gpu_utils/clfftinitializer.h"
73 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
74 #include "gromacs/hardware/cpuinfo.h"
75 #include "gromacs/hardware/detecthardware.h"
76 #include "gromacs/hardware/printhardware.h"
77 #include "gromacs/listed_forces/disre.h"
78 #include "gromacs/listed_forces/gpubonded.h"
79 #include "gromacs/listed_forces/orires.h"
80 #include "gromacs/math/functions.h"
81 #include "gromacs/math/utilities.h"
82 #include "gromacs/math/vec.h"
83 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
84 #include "gromacs/mdlib/calc_verletbuf.h"
85 #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
86 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
87 #include "gromacs/mdlib/makeconstraints.h"
88 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
89 #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
90 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
91 #include "gromacs/mdlib/membed.h"
92 #include "gromacs/mdlib/ppforceworkload.h"
93 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
94 #include "gromacs/mdlib/sighandler.h"
95 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
96 #include "gromacs/mdlib/stophandler.h"
97 #include "gromacs/mdrun/legacymdrunoptions.h"
98 #include "gromacs/mdrun/logging.h"
99 #include "gromacs/mdrun/multisim.h"
100 #include "gromacs/mdrun/simulationcontext.h"
101 #include "gromacs/mdrunutility/mdmodules.h"
102 #include "gromacs/mdrunutility/threadaffinity.h"
103 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
104 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
105 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
106 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
107 #include "gromacs/mdtypes/observableshistory.h"
108 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
109 #include "gromacs/nbnxm/nbnxm.h"
110 #include "gromacs/nbnxm/pairlist_tuning.h"
111 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
112 #include "gromacs/pulling/output.h"
113 #include "gromacs/pulling/pull.h"
114 #include "gromacs/pulling/pull_rotation.h"
115 #include "gromacs/restraint/manager.h"
116 #include "gromacs/restraint/restraintmdmodule.h"
117 #include "gromacs/restraint/restraintpotential.h"
118 #include "gromacs/swap/swapcoords.h"
119 #include "gromacs/taskassignment/decidegpuusage.h"
120 #include "gromacs/taskassignment/resourcedivision.h"
121 #include "gromacs/taskassignment/taskassignment.h"
122 #include "gromacs/taskassignment/usergpuids.h"
123 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
124 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
125 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
126 #include "gromacs/utility/basenetwork.h"
127 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
128 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
129 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
130 #include "gromacs/utility/filestream.h"
131 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
132 #include "gromacs/utility/gmxmpi.h"
133 #include "gromacs/utility/logger.h"
134 #include "gromacs/utility/loggerbuilder.h"
135 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
136 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
137 #include "gromacs/utility/programcontext.h"
138 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
139 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
140
141 #include "integrator.h"
142 #include "replicaexchange.h"
143
144 #if GMX_FAHCORE
145 #include "corewrap.h"
146 #endif
147
148 namespace gmx
149 {
150
151 /*! \brief Barrier for safe simultaneous thread access to mdrunner data
152  *
153  * Used to ensure that the master thread does not modify mdrunner during copy
154  * on the spawned threads. */
155 static void threadMpiMdrunnerAccessBarrier()
156 {
157 #if GMX_THREAD_MPI
158     MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
159 #endif
160 }
161
162 Mdrunner Mdrunner::cloneOnSpawnedThread() const
163 {
164     auto newRunner = Mdrunner();
165
166     // All runners in the same process share a restraint manager resource because it is
167     // part of the interface to the client code, which is associated only with the
168     // original thread. Handles to the same resources can be obtained by copy.
169     {
170         newRunner.restraintManager_ = std::make_unique<RestraintManager>(*restraintManager_);
171     }
172
173     // Copy original cr pointer before master thread can pass the thread barrier
174     newRunner.cr  = reinitialize_commrec_for_this_thread(cr);
175
176     // Copy members of master runner.
177     // \todo Replace with builder when Simulation context and/or runner phases are better defined.
178     // Ref https://redmine.gromacs.org/issues/2587 and https://redmine.gromacs.org/issues/2375
179     newRunner.hw_opt    = hw_opt;
180     newRunner.filenames = filenames;
181
182     newRunner.oenv                = oenv;
183     newRunner.mdrunOptions        = mdrunOptions;
184     newRunner.domdecOptions       = domdecOptions;
185     newRunner.nbpu_opt            = nbpu_opt;
186     newRunner.pme_opt             = pme_opt;
187     newRunner.pme_fft_opt         = pme_fft_opt;
188     newRunner.bonded_opt          = bonded_opt;
189     newRunner.nstlist_cmdline     = nstlist_cmdline;
190     newRunner.replExParams        = replExParams;
191     newRunner.pforce              = pforce;
192     newRunner.ms                  = ms;
193     newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::make_unique<StopHandlerBuilder>(*stopHandlerBuilder_);
194
195     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
196
197     GMX_RELEASE_ASSERT(!MASTER(newRunner.cr), "cloneOnSpawnedThread should only be called on spawned threads");
198
199     return newRunner;
200 }
201
202 /*! \brief The callback used for running on spawned threads.
203  *
204  * Obtains the pointer to the master mdrunner object from the one
205  * argument permitted to the thread-launch API call, copies it to make
206  * a new runner for this thread, reinitializes necessary data, and
207  * proceeds to the simulation. */
208 static void mdrunner_start_fn(const void *arg)
209 {
210     try
211     {
212         auto masterMdrunner = reinterpret_cast<const gmx::Mdrunner *>(arg);
213         /* copy the arg list to make sure that it's thread-local. This
214            doesn't copy pointed-to items, of course; fnm, cr and fplog
215            are reset in the call below, all others should be const. */
216         gmx::Mdrunner mdrunner = masterMdrunner->cloneOnSpawnedThread();
217         mdrunner.mdrunner();
218     }
219     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
220 }
221
222
223 /*! \brief Start thread-MPI threads.
224  *
225  * Called by mdrunner() to start a specific number of threads
226  * (including the main thread) for thread-parallel runs. This in turn
227  * calls mdrunner() for each thread. All options are the same as for
228  * mdrunner(). */
229 t_commrec *Mdrunner::spawnThreads(int numThreadsToLaunch) const
230 {
231
232     /* first check whether we even need to start tMPI */
233     if (numThreadsToLaunch < 2)
234     {
235         return cr;
236     }
237
238 #if GMX_THREAD_MPI
239     /* now spawn new threads that start mdrunner_start_fn(), while
240        the main thread returns, we set thread affinity later */
241     if (tMPI_Init_fn(TRUE, numThreadsToLaunch, TMPI_AFFINITY_NONE,
242                      mdrunner_start_fn, static_cast<const void*>(this)) != TMPI_SUCCESS)
243     {
244         GMX_THROW(gmx::InternalError("Failed to spawn thread-MPI threads"));
245     }
246
247     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
248 #else
249     GMX_UNUSED_VALUE(mdrunner_start_fn);
250 #endif
251
252     return reinitialize_commrec_for_this_thread(cr);
253 }
254
255 }  // namespace gmx
256
257 /*! \brief Initialize variables for Verlet scheme simulation */
258 static void prepare_verlet_scheme(FILE                           *fplog,
259                                   t_commrec                      *cr,
260                                   t_inputrec                     *ir,
261                                   int                             nstlist_cmdline,
262                                   const gmx_mtop_t               *mtop,
263                                   const matrix                    box,
264                                   bool                            makeGpuPairList,
265                                   const gmx::CpuInfo             &cpuinfo)
266 {
267     /* For NVE simulations, we will retain the initial list buffer */
268     if (EI_DYNAMICS(ir->eI) &&
269         ir->verletbuf_tol > 0 &&
270         !(EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO))
271     {
272         /* Update the Verlet buffer size for the current run setup */
273
274         /* Here we assume SIMD-enabled kernels are being used. But as currently
275          * calc_verlet_buffer_size gives the same results for 4x8 and 4x4
276          * and 4x2 gives a larger buffer than 4x4, this is ok.
277          */
278         ListSetupType      listType  = (makeGpuPairList ? ListSetupType::Gpu : ListSetupType::CpuSimdWhenSupported);
279         VerletbufListSetup listSetup = verletbufGetSafeListSetup(listType);
280
281         real               rlist_new;
282         calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1, -1, &listSetup, nullptr, &rlist_new);
283
284         if (rlist_new != ir->rlist)
285         {
286             if (fplog != nullptr)
287             {
288                 fprintf(fplog, "\nChanging rlist from %g to %g for non-bonded %dx%d atom kernels\n\n",
289                         ir->rlist, rlist_new,
290                         listSetup.cluster_size_i, listSetup.cluster_size_j);
291             }
292             ir->rlist     = rlist_new;
293         }
294     }
295
296     if (nstlist_cmdline > 0 && (!EI_DYNAMICS(ir->eI) || ir->verletbuf_tol <= 0))
297     {
298         gmx_fatal(FARGS, "Can not set nstlist without %s",
299                   !EI_DYNAMICS(ir->eI) ? "dynamics" : "verlet-buffer-tolerance");
300     }
301
302     if (EI_DYNAMICS(ir->eI))
303     {
304         /* Set or try nstlist values */
305         increaseNstlist(fplog, cr, ir, nstlist_cmdline, mtop, box, makeGpuPairList, cpuinfo);
306     }
307 }
308
309 /*! \brief Override the nslist value in inputrec
310  *
311  * with value passed on the command line (if any)
312  */
313 static void override_nsteps_cmdline(const gmx::MDLogger &mdlog,
314                                     int64_t              nsteps_cmdline,
315                                     t_inputrec          *ir)
316 {
317     assert(ir);
318
319     /* override with anything else than the default -2 */
320     if (nsteps_cmdline > -2)
321     {
322         char sbuf_steps[STEPSTRSIZE];
323         char sbuf_msg[STRLEN];
324
325         ir->nsteps = nsteps_cmdline;
326         if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && nsteps_cmdline != -1)
327         {
328             sprintf(sbuf_msg, "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps, %.3g ps",
329                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps),
330                     fabs(nsteps_cmdline*ir->delta_t));
331         }
332         else
333         {
334             sprintf(sbuf_msg, "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps",
335                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps));
336         }
337
338         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(sbuf_msg);
339     }
340     else if (nsteps_cmdline < -2)
341     {
342         gmx_fatal(FARGS, "Invalid nsteps value passed on the command line: %" PRId64,
343                   nsteps_cmdline);
344     }
345     /* Do nothing if nsteps_cmdline == -2 */
346 }
347
348 namespace gmx
349 {
350
351 /*! \brief Return whether GPU acceleration of nonbondeds is supported with the given settings.
352  *
353  * If not, and if a warning may be issued, logs a warning about
354  * falling back to CPU code. With thread-MPI, only the first
355  * call to this function should have \c issueWarning true. */
356 static bool gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(const MDLogger   &mdlog,
357                                                const t_inputrec *ir,
358                                                bool              issueWarning)
359 {
360     if (ir->opts.ngener - ir->nwall > 1)
361     {
362         /* The GPU code does not support more than one energy group.
363          * If the user requested GPUs explicitly, a fatal error is given later.
364          */
365         if (issueWarning)
366         {
367             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph()
368                 .appendText("Multiple energy groups is not implemented for GPUs, falling back to the CPU. "
369                             "For better performance, run on the GPU without energy groups and then do "
370                             "gmx mdrun -rerun option on the trajectory with an energy group .tpr file.");
371         }
372         return false;
373     }
374     return true;
375 }
376
377 //! Initializes the logger for mdrun.
378 static gmx::LoggerOwner buildLogger(FILE *fplog, const t_commrec *cr)
379 {
380     gmx::LoggerBuilder builder;
381     if (fplog != nullptr)
382     {
383         builder.addTargetFile(gmx::MDLogger::LogLevel::Info, fplog);
384     }
385     if (cr == nullptr || SIMMASTER(cr))
386     {
387         builder.addTargetStream(gmx::MDLogger::LogLevel::Warning,
388                                 &gmx::TextOutputFile::standardError());
389     }
390     return builder.build();
391 }
392
393 //! Make a TaskTarget from an mdrun argument string.
394 static TaskTarget findTaskTarget(const char *optionString)
395 {
396     TaskTarget returnValue = TaskTarget::Auto;
397
398     if (strncmp(optionString, "auto", 3) == 0)
399     {
400         returnValue = TaskTarget::Auto;
401     }
402     else if (strncmp(optionString, "cpu", 3) == 0)
403     {
404         returnValue = TaskTarget::Cpu;
405     }
406     else if (strncmp(optionString, "gpu", 3) == 0)
407     {
408         returnValue = TaskTarget::Gpu;
409     }
410     else
411     {
412         GMX_ASSERT(false, "Option string should have been checked for sanity already");
413     }
414
415     return returnValue;
416 }
417
418 int Mdrunner::mdrunner()
419 {
420     matrix                    box;
421     t_nrnb                   *nrnb;
422     t_forcerec               *fr               = nullptr;
423     t_fcdata                 *fcd              = nullptr;
424     real                      ewaldcoeff_q     = 0;
425     real                      ewaldcoeff_lj    = 0;
426     int                       nChargePerturbed = -1, nTypePerturbed = 0;
427     gmx_wallcycle_t           wcycle;
428     gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting = nullptr;
429     gmx_membed_t *            membed              = nullptr;
430     gmx_hw_info_t            *hwinfo              = nullptr;
431
432     /* CAUTION: threads may be started later on in this function, so
433        cr doesn't reflect the final parallel state right now */
434     std::unique_ptr<gmx::MDModules> mdModules(new gmx::MDModules);
435     t_inputrec                      inputrecInstance;
436     t_inputrec                     *inputrec = &inputrecInstance;
437     gmx_mtop_t                      mtop;
438
439     bool doMembed = opt2bSet("-membed", filenames.size(), filenames.data());
440     bool doRerun  = mdrunOptions.rerun;
441
442     // Handle task-assignment related user options.
443     EmulateGpuNonbonded emulateGpuNonbonded = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr ?
444                                                EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
445     std::vector<int>    gpuIdsAvailable;
446     try
447     {
448         gpuIdsAvailable = parseUserGpuIdString(hw_opt.gpuIdsAvailable);
449     }
450     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
451
452     std::vector<int> userGpuTaskAssignment;
453     try
454     {
455         userGpuTaskAssignment = parseUserTaskAssignmentString(hw_opt.userGpuTaskAssignment);
456     }
457     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
458     auto       nonbondedTarget = findTaskTarget(nbpu_opt);
459     auto       pmeTarget       = findTaskTarget(pme_opt);
460     auto       pmeFftTarget    = findTaskTarget(pme_fft_opt);
461     auto       bondedTarget    = findTaskTarget(bonded_opt);
462     PmeRunMode pmeRunMode      = PmeRunMode::None;
463
464     // Here we assume that SIMMASTER(cr) does not change even after the
465     // threads are started.
466
467     FILE *fplog = nullptr;
468     // If we are appending, we don't write log output because we need
469     // to check that the old log file matches what the checkpoint file
470     // expects. Otherwise, we should start to write log output now if
471     // there is a file ready for it.
472     if (logFileHandle != nullptr && !mdrunOptions.continuationOptions.appendFiles)
473     {
474         fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
475     }
476     gmx::LoggerOwner logOwner(buildLogger(fplog, cr));
477     gmx::MDLogger    mdlog(logOwner.logger());
478
479     // TODO The thread-MPI master rank makes a working
480     // PhysicalNodeCommunicator here, but it gets rebuilt by all ranks
481     // after the threads have been launched. This works because no use
482     // is made of that communicator until after the execution paths
483     // have rejoined. But it is likely that we can improve the way
484     // this is expressed, e.g. by expressly running detection only the
485     // master rank for thread-MPI, rather than relying on the mutex
486     // and reference count.
487     PhysicalNodeCommunicator physicalNodeComm(MPI_COMM_WORLD, gmx_physicalnode_id_hash());
488     hwinfo = gmx_detect_hardware(mdlog, physicalNodeComm);
489
490     gmx_print_detected_hardware(fplog, cr, ms, mdlog, hwinfo);
491
492     std::vector<int> gpuIdsToUse;
493     auto             compatibleGpus = getCompatibleGpus(hwinfo->gpu_info);
494     if (gpuIdsAvailable.empty())
495     {
496         gpuIdsToUse = compatibleGpus;
497     }
498     else
499     {
500         for (const auto &availableGpuId : gpuIdsAvailable)
501         {
502             bool availableGpuIsCompatible = false;
503             for (const auto &compatibleGpuId : compatibleGpus)
504             {
505                 if (availableGpuId == compatibleGpuId)
506                 {
507                     availableGpuIsCompatible = true;
508                     break;
509                 }
510             }
511             if (!availableGpuIsCompatible)
512             {
513                 gmx_fatal(FARGS, "You limited the set of compatible GPUs to a set that included ID #%d, but that ID is not for a compatible GPU. List only compatible GPUs.", availableGpuId);
514             }
515             gpuIdsToUse.push_back(availableGpuId);
516         }
517     }
518
519     if (fplog != nullptr)
520     {
521         /* Print references after all software/hardware printing */
522         please_cite(fplog, "Abraham2015");
523         please_cite(fplog, "Pall2015");
524         please_cite(fplog, "Pronk2013");
525         please_cite(fplog, "Hess2008b");
526         please_cite(fplog, "Spoel2005a");
527         please_cite(fplog, "Lindahl2001a");
528         please_cite(fplog, "Berendsen95a");
529         writeSourceDoi(fplog);
530     }
531
532     std::unique_ptr<t_state> globalState;
533
534     if (SIMMASTER(cr))
535     {
536         /* Only the master rank has the global state */
537         globalState = std::make_unique<t_state>();
538
539         /* Read (nearly) all data required for the simulation */
540         read_tpx_state(ftp2fn(efTPR, filenames.size(), filenames.data()), inputrec, globalState.get(), &mtop);
541
542         /* In rerun, set velocities to zero if present */
543         if (doRerun && ((globalState->flags & (1 << estV)) != 0))
544         {
545             // rerun does not use velocities
546             GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().appendText(
547                     "Rerun trajectory contains velocities. Rerun does only evaluate "
548                     "potential energy and forces. The velocities will be ignored.");
549             for (int i = 0; i < globalState->natoms; i++)
550             {
551                 clear_rvec(globalState->v[i]);
552             }
553             globalState->flags &= ~(1 << estV);
554         }
555
556         if (inputrec->cutoff_scheme != ecutsVERLET)
557         {
558             if (nstlist_cmdline > 0)
559             {
560                 gmx_fatal(FARGS, "Can not set nstlist with the group cut-off scheme");
561             }
562
563             if (!compatibleGpus.empty())
564             {
565                 GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
566                         "NOTE: GPU(s) found, but the current simulation can not use GPUs\n"
567                         "      To use a GPU, set the mdp option: cutoff-scheme = Verlet");
568             }
569         }
570     }
571
572     /* Check and update the hardware options for internal consistency */
573     check_and_update_hw_opt_1(mdlog, &hw_opt, cr, domdecOptions.numPmeRanks);
574
575     /* Early check for externally set process affinity. */
576     gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, cr,
577                                   &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, FALSE);
578
579     if (GMX_THREAD_MPI && SIMMASTER(cr))
580     {
581         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0 && hw_opt.nthreads_tmpi <= 0)
582         {
583             gmx_fatal(FARGS, "You need to explicitly specify the number of MPI threads (-ntmpi) when using separate PME ranks");
584         }
585
586         /* Since the master knows the cut-off scheme, update hw_opt for this.
587          * This is done later for normal MPI and also once more with tMPI
588          * for all tMPI ranks.
589          */
590         check_and_update_hw_opt_2(&hw_opt, inputrec->cutoff_scheme);
591
592         bool useGpuForNonbonded = false;
593         bool useGpuForPme       = false;
594         try
595         {
596             // If the user specified the number of ranks, then we must
597             // respect that, but in default mode, we need to allow for
598             // the number of GPUs to choose the number of ranks.
599             auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
600             useGpuForNonbonded = decideWhetherToUseGpusForNonbondedWithThreadMpi
601                     (nonbondedTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded,
602                     canUseGpuForNonbonded,
603                     inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET,
604                     gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, inputrec, GMX_THREAD_MPI),
605                     hw_opt.nthreads_tmpi);
606             useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPmeWithThreadMpi
607                     (useGpuForNonbonded, pmeTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment,
608                     *hwinfo, *inputrec, mtop, hw_opt.nthreads_tmpi, domdecOptions.numPmeRanks);
609
610         }
611         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
612
613         /* Determine how many thread-MPI ranks to start.
614          *
615          * TODO Over-writing the user-supplied value here does
616          * prevent any possible subsequent checks from working
617          * correctly. */
618         hw_opt.nthreads_tmpi = get_nthreads_mpi(hwinfo,
619                                                 &hw_opt,
620                                                 gpuIdsToUse,
621                                                 useGpuForNonbonded,
622                                                 useGpuForPme,
623                                                 inputrec, &mtop,
624                                                 mdlog,
625                                                 doMembed);
626
627         // Now start the threads for thread MPI.
628         cr = spawnThreads(hw_opt.nthreads_tmpi);
629         /* The main thread continues here with a new cr. We don't deallocate
630            the old cr because other threads may still be reading it. */
631         // TODO Both master and spawned threads call dup_tfn and
632         // reinitialize_commrec_for_this_thread. Find a way to express
633         // this better.
634         physicalNodeComm = PhysicalNodeCommunicator(MPI_COMM_WORLD, gmx_physicalnode_id_hash());
635     }
636     // END OF CAUTION: cr and physicalNodeComm are now reliable
637
638     if (PAR(cr))
639     {
640         /* now broadcast everything to the non-master nodes/threads: */
641         init_parallel(cr, inputrec, &mtop);
642     }
643
644     // Now each rank knows the inputrec that SIMMASTER read and used,
645     // and (if applicable) cr->nnodes has been assigned the number of
646     // thread-MPI ranks that have been chosen. The ranks can now all
647     // run the task-deciding functions and will agree on the result
648     // without needing to communicate.
649     //
650     // TODO Should we do the communication in debug mode to support
651     // having an assertion?
652     //
653     // Note that these variables describe only their own node.
654     //
655     // Note that when bonded interactions run on a GPU they always run
656     // alongside a nonbonded task, so do not influence task assignment
657     // even though they affect the force calculation workload.
658     bool useGpuForNonbonded = false;
659     bool useGpuForPme       = false;
660     bool useGpuForBonded    = false;
661     try
662     {
663         // It's possible that there are different numbers of GPUs on
664         // different nodes, which is the user's responsibilty to
665         // handle. If unsuitable, we will notice that during task
666         // assignment.
667         bool gpusWereDetected      = hwinfo->ngpu_compatible_tot > 0;
668         bool usingVerletScheme     = inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET;
669         auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
670         useGpuForNonbonded = decideWhetherToUseGpusForNonbonded(nonbondedTarget, userGpuTaskAssignment,
671                                                                 emulateGpuNonbonded,
672                                                                 canUseGpuForNonbonded,
673                                                                 usingVerletScheme,
674                                                                 gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, inputrec, !GMX_THREAD_MPI),
675                                                                 gpusWereDetected);
676         useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPme(useGpuForNonbonded, pmeTarget, userGpuTaskAssignment,
677                                                     *hwinfo, *inputrec, mtop,
678                                                     cr->nnodes, domdecOptions.numPmeRanks,
679                                                     gpusWereDetected);
680         auto canUseGpuForBonded = buildSupportsGpuBondeds(nullptr) && inputSupportsGpuBondeds(*inputrec, mtop, nullptr);
681         useGpuForBonded =
682             decideWhetherToUseGpusForBonded(useGpuForNonbonded, useGpuForPme, usingVerletScheme,
683                                             bondedTarget, canUseGpuForBonded,
684                                             EVDW_PME(inputrec->vdwtype),
685                                             EEL_PME_EWALD(inputrec->coulombtype),
686                                             domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
687
688         pmeRunMode   = (useGpuForPme ? PmeRunMode::GPU : PmeRunMode::CPU);
689         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU)
690         {
691             if (pmeFftTarget == TaskTarget::Cpu)
692             {
693                 pmeRunMode = PmeRunMode::Mixed;
694             }
695         }
696         else if (pmeFftTarget == TaskTarget::Gpu)
697         {
698             gmx_fatal(FARGS, "Assigning FFTs to GPU requires PME to be assigned to GPU as well. With PME on CPU you should not be using -pmefft.");
699         }
700     }
701     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
702
703     // Build restraints.
704     // TODO: hide restraint implementation details from Mdrunner.
705     // There is nothing unique about restraints at this point as far as the
706     // Mdrunner is concerned. The Mdrunner should just be getting a sequence of
707     // factory functions from the SimulationContext on which to call mdModules->add().
708     // TODO: capture all restraints into a single RestraintModule, passed to the runner builder.
709     for (auto && restraint : restraintManager_->getRestraints())
710     {
711         auto module = RestraintMDModule::create(restraint,
712                                                 restraint->sites());
713         mdModules->add(std::move(module));
714     }
715
716     // TODO: Error handling
717     mdModules->assignOptionsToModules(*inputrec->params, nullptr);
718
719     if (fplog != nullptr)
720     {
721         pr_inputrec(fplog, 0, "Input Parameters", inputrec, FALSE);
722         fprintf(fplog, "\n");
723     }
724
725     if (SIMMASTER(cr))
726     {
727         /* now make sure the state is initialized and propagated */
728         set_state_entries(globalState.get(), inputrec);
729     }
730
731     /* NM and TPI parallelize over force/energy calculations, not atoms,
732      * so we need to initialize and broadcast the global state.
733      */
734     if (inputrec->eI == eiNM || inputrec->eI == eiTPI)
735     {
736         if (!MASTER(cr))
737         {
738             globalState = std::make_unique<t_state>();
739         }
740         broadcastStateWithoutDynamics(cr, globalState.get());
741     }
742
743     /* A parallel command line option consistency check that we can
744        only do after any threads have started. */
745     if (!PAR(cr) && (domdecOptions.numCells[XX] > 1 ||
746                      domdecOptions.numCells[YY] > 1 ||
747                      domdecOptions.numCells[ZZ] > 1 ||
748                      domdecOptions.numPmeRanks > 0))
749     {
750         gmx_fatal(FARGS,
751                   "The -dd or -npme option request a parallel simulation, "
752 #if !GMX_MPI
753                   "but %s was compiled without threads or MPI enabled", output_env_get_program_display_name(oenv));
754 #else
755 #if GMX_THREAD_MPI
756                   "but the number of MPI-threads (option -ntmpi) is not set or is 1");
757 #else
758                   "but %s was not started through mpirun/mpiexec or only one rank was requested through mpirun/mpiexec", output_env_get_program_display_name(oenv));
759 #endif
760 #endif
761     }
762
763     if (doRerun &&
764         (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI) || eiNM == inputrec->eI))
765     {
766         gmx_fatal(FARGS, "The .mdp file specified an energy mininization or normal mode algorithm, and these are not compatible with mdrun -rerun");
767     }
768
769     if (!(EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype)))
770     {
771         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0)
772         {
773             gmx_fatal_collective(FARGS, cr->mpi_comm_mysim, MASTER(cr),
774                                  "PME-only ranks are requested, but the system does not use PME for electrostatics or LJ");
775         }
776
777         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
778     }
779
780     if (useGpuForNonbonded && domdecOptions.numPmeRanks < 0)
781     {
782         /* With NB GPUs we don't automatically use PME-only CPU ranks. PME ranks can
783          * improve performance with many threads per GPU, since our OpenMP
784          * scaling is bad, but it's difficult to automate the setup.
785          */
786         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
787     }
788     if (useGpuForPme)
789     {
790         if (domdecOptions.numPmeRanks < 0)
791         {
792             domdecOptions.numPmeRanks = 0;
793             // TODO possibly print a note that one can opt-in for a separate PME GPU rank?
794         }
795         else
796         {
797             GMX_RELEASE_ASSERT(domdecOptions.numPmeRanks <= 1, "PME GPU decomposition is not supported");
798         }
799     }
800
801 #if GMX_FAHCORE
802     if (MASTER(cr))
803     {
804         fcRegisterSteps(inputrec->nsteps, inputrec->init_step);
805     }
806 #endif
807
808     /* NMR restraints must be initialized before load_checkpoint,
809      * since with time averaging the history is added to t_state.
810      * For proper consistency check we therefore need to extend
811      * t_state here.
812      * So the PME-only nodes (if present) will also initialize
813      * the distance restraints.
814      */
815     snew(fcd, 1);
816
817     /* This needs to be called before read_checkpoint to extend the state */
818     init_disres(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, fcd, globalState.get(), replExParams.exchangeInterval > 0);
819
820     init_orires(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, globalState.get(), &(fcd->orires));
821
822     auto                 deform = prepareBoxDeformation(globalState->box, cr, *inputrec);
823
824     ObservablesHistory   observablesHistory = {};
825
826     ContinuationOptions &continuationOptions = mdrunOptions.continuationOptions;
827
828     if (continuationOptions.startedFromCheckpoint)
829     {
830         /* Check if checkpoint file exists before doing continuation.
831          * This way we can use identical input options for the first and subsequent runs...
832          */
833         gmx_bool bReadEkin;
834
835         load_checkpoint(opt2fn_master("-cpi", filenames.size(), filenames.data(), cr),
836                         logFileHandle,
837                         cr, domdecOptions.numCells,
838                         inputrec, globalState.get(),
839                         &bReadEkin, &observablesHistory,
840                         continuationOptions.appendFiles,
841                         continuationOptions.appendFilesOptionSet,
842                         mdrunOptions.reproducible);
843
844         if (bReadEkin)
845         {
846             continuationOptions.haveReadEkin = true;
847         }
848
849         if (continuationOptions.appendFiles && logFileHandle)
850         {
851             // Now we can start normal logging to the truncated log file.
852             fplog    = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
853             prepareLogAppending(fplog);
854             logOwner = buildLogger(fplog, cr);
855             mdlog    = logOwner.logger();
856         }
857     }
858
859     if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
860     {
861         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
862             appendText("The -nsteps functionality is deprecated, and may be removed in a future version. "
863                        "Consider using gmx convert-tpr -nsteps or changing the appropriate .mdp file field.");
864     }
865     /* override nsteps with value set on the commamdline */
866     override_nsteps_cmdline(mdlog, mdrunOptions.numStepsCommandline, inputrec);
867
868     if (SIMMASTER(cr))
869     {
870         copy_mat(globalState->box, box);
871     }
872
873     if (PAR(cr))
874     {
875         gmx_bcast(sizeof(box), box, cr);
876     }
877
878     /* Update rlist and nstlist. */
879     if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
880     {
881         prepare_verlet_scheme(fplog, cr, inputrec, nstlist_cmdline, &mtop, box,
882                               useGpuForNonbonded || (emulateGpuNonbonded == EmulateGpuNonbonded::Yes), *hwinfo->cpuInfo);
883     }
884
885     LocalAtomSetManager atomSets;
886
887     if (PAR(cr) && !(EI_TPI(inputrec->eI) ||
888                      inputrec->eI == eiNM))
889     {
890         cr->dd = init_domain_decomposition(mdlog, cr, domdecOptions, mdrunOptions,
891                                            &mtop, inputrec,
892                                            box, positionsFromStatePointer(globalState.get()),
893                                            &atomSets);
894         // Note that local state still does not exist yet.
895     }
896     else
897     {
898         /* PME, if used, is done on all nodes with 1D decomposition */
899         cr->npmenodes = 0;
900         cr->duty      = (DUTY_PP | DUTY_PME);
901
902         if (inputrec->ePBC == epbcSCREW)
903         {
904             gmx_fatal(FARGS,
905                       "pbc=screw is only implemented with domain decomposition");
906         }
907     }
908
909     if (PAR(cr))
910     {
911         /* After possible communicator splitting in make_dd_communicators.
912          * we can set up the intra/inter node communication.
913          */
914         gmx_setup_nodecomm(fplog, cr);
915     }
916
917 #if GMX_MPI
918     if (isMultiSim(ms))
919     {
920         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
921                 "This is simulation %d out of %d running as a composite GROMACS\n"
922                 "multi-simulation job. Setup for this simulation:\n",
923                 ms->sim, ms->nsim);
924     }
925     GMX_LOG(mdlog.warning).appendTextFormatted(
926             "Using %d MPI %s\n",
927             cr->nnodes,
928 #if GMX_THREAD_MPI
929             cr->nnodes == 1 ? "thread" : "threads"
930 #else
931             cr->nnodes == 1 ? "process" : "processes"
932 #endif
933             );
934     fflush(stderr);
935 #endif
936
937     /* Check and update hw_opt for the cut-off scheme */
938     check_and_update_hw_opt_2(&hw_opt, inputrec->cutoff_scheme);
939
940     /* Check and update the number of OpenMP threads requested */
941     checkAndUpdateRequestedNumOpenmpThreads(&hw_opt, *hwinfo, cr, ms, physicalNodeComm.size_,
942                                             pmeRunMode, mtop);
943
944     gmx_omp_nthreads_init(mdlog, cr,
945                           hwinfo->nthreads_hw_avail,
946                           physicalNodeComm.size_,
947                           hw_opt.nthreads_omp,
948                           hw_opt.nthreads_omp_pme,
949                           !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP),
950                           inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET);
951
952     // Enable FP exception detection for the Verlet scheme, but not in
953     // Release mode and not for compilers with known buggy FP
954     // exception support (clang with any optimization) or suspected
955     // buggy FP exception support (gcc 7.* with optimization).
956 #if !defined NDEBUG && \
957     !((defined __clang__ || (defined(__GNUC__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7)) \
958     && defined __OPTIMIZE__)
959     const bool bEnableFPE = inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET;
960 #else
961     const bool bEnableFPE = false;
962 #endif
963     //FIXME - reconcile with gmx_feenableexcept() call from CommandLineModuleManager::run()
964     if (bEnableFPE)
965     {
966         gmx_feenableexcept();
967     }
968
969     // Build a data structure that expresses which kinds of non-bonded
970     // task are handled by this rank.
971     //
972     // TODO Later, this might become a loop over all registered modules
973     // relevant to the mdp inputs, to find those that have such tasks.
974     //
975     // TODO This could move before init_domain_decomposition() as part
976     // of refactoring that separates the responsibility for duty
977     // assignment from setup for communication between tasks, and
978     // setup for tasks handled with a domain (ie including short-ranged
979     // tasks, bonded tasks, etc.).
980     //
981     // Note that in general useGpuForNonbonded, etc. can have a value
982     // that is inconsistent with the presence of actual GPUs on any
983     // rank, and that is not known to be a problem until the
984     // duty of the ranks on a node become known.
985     //
986     // TODO Later we might need the concept of computeTasksOnThisRank,
987     // from which we construct gpuTasksOnThisRank.
988     //
989     // Currently the DD code assigns duty to ranks that can
990     // include PP work that currently can be executed on a single
991     // GPU, if present and compatible.  This has to be coordinated
992     // across PP ranks on a node, with possible multiple devices
993     // or sharing devices on a node, either from the user
994     // selection, or automatically.
995     auto                 haveGpus = !gpuIdsToUse.empty();
996     std::vector<GpuTask> gpuTasksOnThisRank;
997     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
998     {
999         if (useGpuForNonbonded)
1000         {
1001             // Note that any bonded tasks on a GPU always accompany a
1002             // non-bonded task.
1003             if (haveGpus)
1004             {
1005                 gpuTasksOnThisRank.push_back(GpuTask::Nonbonded);
1006             }
1007             else if (nonbondedTarget == TaskTarget::Gpu)
1008             {
1009                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run short-ranged nonbonded interactions on a GPU because there is none detected.");
1010             }
1011             else if (bondedTarget == TaskTarget::Gpu)
1012             {
1013                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run bonded interactions on a GPU because there is none detected.");
1014             }
1015         }
1016     }
1017     // TODO cr->duty & DUTY_PME should imply that a PME algorithm is active, but currently does not.
1018     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) && (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME)))
1019     {
1020         if (useGpuForPme)
1021         {
1022             if (haveGpus)
1023             {
1024                 gpuTasksOnThisRank.push_back(GpuTask::Pme);
1025             }
1026             else if (pmeTarget == TaskTarget::Gpu)
1027             {
1028                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run PME on a GPU because there is none detected.");
1029             }
1030         }
1031     }
1032
1033     GpuTaskAssignment gpuTaskAssignment;
1034     try
1035     {
1036         // Produce the task assignment for this rank.
1037         gpuTaskAssignment = runTaskAssignment(gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo,
1038                                               mdlog, cr, ms, physicalNodeComm, gpuTasksOnThisRank,
1039                                               useGpuForBonded, pmeRunMode);
1040     }
1041     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1042
1043     /* Prevent other ranks from continuing after an issue was found
1044      * and reported as a fatal error.
1045      *
1046      * TODO This function implements a barrier so that MPI runtimes
1047      * can organize an orderly shutdown if one of the ranks has had to
1048      * issue a fatal error in various code already run. When we have
1049      * MPI-aware error handling and reporting, this should be
1050      * improved. */
1051 #if GMX_MPI
1052     if (PAR(cr))
1053     {
1054         MPI_Barrier(cr->mpi_comm_mysim);
1055     }
1056     if (isMultiSim(ms))
1057     {
1058         if (SIMMASTER(cr))
1059         {
1060             MPI_Barrier(ms->mpi_comm_masters);
1061         }
1062         /* We need another barrier to prevent non-master ranks from contiuing
1063          * when an error occured in a different simulation.
1064          */
1065         MPI_Barrier(cr->mpi_comm_mysim);
1066     }
1067 #endif
1068
1069     /* Now that we know the setup is consistent, check for efficiency */
1070     check_resource_division_efficiency(hwinfo, !gpuTaskAssignment.empty(), mdrunOptions.ntompOptionIsSet,
1071                                        cr, mdlog);
1072
1073     gmx_device_info_t *nonbondedDeviceInfo = nullptr;
1074
1075     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1076     {
1077         // This works because only one task of each type is currently permitted.
1078         auto nbGpuTaskMapping = std::find_if(gpuTaskAssignment.begin(), gpuTaskAssignment.end(),
1079                                              hasTaskType<GpuTask::Nonbonded>);
1080         if (nbGpuTaskMapping != gpuTaskAssignment.end())
1081         {
1082             int nonbondedDeviceId = nbGpuTaskMapping->deviceId_;
1083             nonbondedDeviceInfo = getDeviceInfo(hwinfo->gpu_info, nonbondedDeviceId);
1084             init_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1085
1086             if (DOMAINDECOMP(cr))
1087             {
1088                 /* When we share GPUs over ranks, we need to know this for the DLB */
1089                 dd_setup_dlb_resource_sharing(cr, nonbondedDeviceId);
1090             }
1091
1092         }
1093     }
1094
1095     std::unique_ptr<ClfftInitializer> initializedClfftLibrary;
1096
1097     gmx_device_info_t                *pmeDeviceInfo = nullptr;
1098     // Later, this program could contain kernels that might be later
1099     // re-used as auto-tuning progresses, or subsequent simulations
1100     // are invoked.
1101     PmeGpuProgramStorage pmeGpuProgram;
1102     // This works because only one task of each type is currently permitted.
1103     auto                 pmeGpuTaskMapping     = std::find_if(gpuTaskAssignment.begin(), gpuTaskAssignment.end(), hasTaskType<GpuTask::Pme>);
1104     const bool           thisRankHasPmeGpuTask = (pmeGpuTaskMapping != gpuTaskAssignment.end());
1105     if (thisRankHasPmeGpuTask)
1106     {
1107         pmeDeviceInfo = getDeviceInfo(hwinfo->gpu_info, pmeGpuTaskMapping->deviceId_);
1108         init_gpu(pmeDeviceInfo);
1109         pmeGpuProgram = buildPmeGpuProgram(pmeDeviceInfo);
1110         // TODO It would be nice to move this logic into the factory
1111         // function. See Redmine #2535.
1112         bool isMasterThread = !GMX_THREAD_MPI || MASTER(cr);
1113         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU && !initializedClfftLibrary && isMasterThread)
1114         {
1115             initializedClfftLibrary = initializeClfftLibrary();
1116         }
1117     }
1118
1119     /* getting number of PP/PME threads on this MPI / tMPI rank.
1120        PME: env variable should be read only on one node to make sure it is
1121        identical everywhere;
1122      */
1123     const int numThreadsOnThisRank =
1124         thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
1125     checkHardwareOversubscription(numThreadsOnThisRank, cr->nodeid,
1126                                   *hwinfo->hardwareTopology,
1127                                   physicalNodeComm, mdlog);
1128
1129     if (hw_opt.thread_affinity != threadaffOFF)
1130     {
1131         /* Before setting affinity, check whether the affinity has changed
1132          * - which indicates that probably the OpenMP library has changed it
1133          * since we first checked).
1134          */
1135         gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, cr,
1136                                       &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, TRUE);
1137
1138         int numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset;
1139         analyzeThreadsOnThisNode(physicalNodeComm, numThreadsOnThisRank, &numThreadsOnThisNode,
1140                                  &intraNodeThreadOffset);
1141
1142         /* Set the CPU affinity */
1143         gmx_set_thread_affinity(mdlog, cr, &hw_opt, *hwinfo->hardwareTopology,
1144                                 numThreadsOnThisRank, numThreadsOnThisNode,
1145                                 intraNodeThreadOffset, nullptr);
1146     }
1147
1148     if (mdrunOptions.timingOptions.resetStep > -1)
1149     {
1150         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
1151             appendText("The -resetstep functionality is deprecated, and may be removed in a future version.");
1152     }
1153     wcycle = wallcycle_init(fplog, mdrunOptions.timingOptions.resetStep, cr);
1154
1155     if (PAR(cr))
1156     {
1157         /* Master synchronizes its value of reset_counters with all nodes
1158          * including PME only nodes */
1159         int64_t reset_counters = wcycle_get_reset_counters(wcycle);
1160         gmx_bcast_sim(sizeof(reset_counters), &reset_counters, cr);
1161         wcycle_set_reset_counters(wcycle, reset_counters);
1162     }
1163
1164     // Membrane embedding must be initialized before we call init_forcerec()
1165     if (doMembed)
1166     {
1167         if (MASTER(cr))
1168         {
1169             fprintf(stderr, "Initializing membed");
1170         }
1171         /* Note that membed cannot work in parallel because mtop is
1172          * changed here. Fix this if we ever want to make it run with
1173          * multiple ranks. */
1174         membed = init_membed(fplog, filenames.size(), filenames.data(), &mtop, inputrec, globalState.get(), cr,
1175                              &mdrunOptions
1176                                  .checkpointOptions.period);
1177     }
1178
1179     std::unique_ptr<MDAtoms>     mdAtoms;
1180     std::unique_ptr<gmx_vsite_t> vsite;
1181
1182     snew(nrnb, 1);
1183     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1184     {
1185         /* Initiate forcerecord */
1186         fr                 = mk_forcerec();
1187         fr->forceProviders = mdModules->initForceProviders();
1188         init_forcerec(fplog, mdlog, fr, fcd,
1189                       inputrec, &mtop, cr, box,
1190                       opt2fn("-table", filenames.size(), filenames.data()),
1191                       opt2fn("-tablep", filenames.size(), filenames.data()),
1192                       opt2fns("-tableb", filenames.size(), filenames.data()),
1193                       *hwinfo, nonbondedDeviceInfo,
1194                       useGpuForBonded,
1195                       FALSE,
1196                       pforce);
1197
1198         /* Initialize the mdAtoms structure.
1199          * mdAtoms is not filled with atom data,
1200          * as this can not be done now with domain decomposition.
1201          */
1202         mdAtoms = makeMDAtoms(fplog, mtop, *inputrec, thisRankHasPmeGpuTask);
1203         if (globalState && thisRankHasPmeGpuTask)
1204         {
1205             // The pinning of coordinates in the global state object works, because we only use
1206             // PME on GPU without DD or on a separate PME rank, and because the local state pointer
1207             // points to the global state object without DD.
1208             // FIXME: MD and EM separately set up the local state - this should happen in the same function,
1209             // which should also perform the pinning.
1210             changePinningPolicy(&globalState->x, pme_get_pinning_policy());
1211         }
1212
1213         /* Initialize the virtual site communication */
1214         vsite = initVsite(mtop, cr);
1215
1216         calc_shifts(box, fr->shift_vec);
1217
1218         /* With periodic molecules the charge groups should be whole at start up
1219          * and the virtual sites should not be far from their proper positions.
1220          */
1221         if (!inputrec->bContinuation && MASTER(cr) &&
1222             !(inputrec->ePBC != epbcNONE && inputrec->bPeriodicMols))
1223         {
1224             /* Make molecules whole at start of run */
1225             if (fr->ePBC != epbcNONE)
1226             {
1227                 do_pbc_first_mtop(fplog, inputrec->ePBC, box, &mtop, globalState->x.rvec_array());
1228             }
1229             if (vsite)
1230             {
1231                 /* Correct initial vsite positions are required
1232                  * for the initial distribution in the domain decomposition
1233                  * and for the initial shell prediction.
1234                  */
1235                 constructVsitesGlobal(mtop, globalState->x);
1236             }
1237         }
1238
1239         if (EEL_PME(fr->ic->eeltype) || EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1240         {
1241             ewaldcoeff_q  = fr->ic->ewaldcoeff_q;
1242             ewaldcoeff_lj = fr->ic->ewaldcoeff_lj;
1243         }
1244     }
1245     else
1246     {
1247         /* This is a PME only node */
1248
1249         GMX_ASSERT(globalState == nullptr, "We don't need the state on a PME only rank and expect it to be unitialized");
1250
1251         ewaldcoeff_q  = calc_ewaldcoeff_q(inputrec->rcoulomb, inputrec->ewald_rtol);
1252         ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(inputrec->rvdw, inputrec->ewald_rtol_lj);
1253     }
1254
1255     gmx_pme_t *sepPmeData = nullptr;
1256     // This reference hides the fact that PME data is owned by runner on PME-only ranks and by forcerec on other ranks
1257     GMX_ASSERT(thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) == (fr != nullptr), "Double-checking that only PME-only ranks have no forcerec");
1258     gmx_pme_t * &pmedata = fr ? fr->pmedata : sepPmeData;
1259
1260     /* Initiate PME if necessary,
1261      * either on all nodes or on dedicated PME nodes only. */
1262     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1263     {
1264         if (mdAtoms && mdAtoms->mdatoms())
1265         {
1266             nChargePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nChargePerturbed;
1267             if (EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1268             {
1269                 nTypePerturbed   = mdAtoms->mdatoms()->nTypePerturbed;
1270             }
1271         }
1272         if (cr->npmenodes > 0)
1273         {
1274             /* The PME only nodes need to know nChargePerturbed(FEP on Q) and nTypePerturbed(FEP on LJ)*/
1275             gmx_bcast_sim(sizeof(nChargePerturbed), &nChargePerturbed, cr);
1276             gmx_bcast_sim(sizeof(nTypePerturbed), &nTypePerturbed, cr);
1277         }
1278
1279         if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1280         {
1281             try
1282             {
1283                 pmedata = gmx_pme_init(cr,
1284                                        getNumPmeDomains(cr->dd),
1285                                        inputrec,
1286                                        mtop.natoms, nChargePerturbed != 0, nTypePerturbed != 0,
1287                                        mdrunOptions.reproducible,
1288                                        ewaldcoeff_q, ewaldcoeff_lj,
1289                                        gmx_omp_nthreads_get(emntPME),
1290                                        pmeRunMode, nullptr,
1291                                        pmeDeviceInfo, pmeGpuProgram.get(), mdlog);
1292             }
1293             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1294         }
1295     }
1296
1297
1298     if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI))
1299     {
1300         /* Turn on signal handling on all nodes */
1301         /*
1302          * (A user signal from the PME nodes (if any)
1303          * is communicated to the PP nodes.
1304          */
1305         signal_handler_install();
1306     }
1307
1308     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1309     {
1310         /* Assumes uniform use of the number of OpenMP threads */
1311         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntDefault));
1312
1313         if (inputrec->bPull)
1314         {
1315             /* Initialize pull code */
1316             inputrec->pull_work =
1317                 init_pull(fplog, inputrec->pull, inputrec,
1318                           &mtop, cr, &atomSets, inputrec->fepvals->init_lambda);
1319             if (inputrec->pull->bXOutAverage || inputrec->pull->bFOutAverage)
1320             {
1321                 initPullHistory(inputrec->pull_work, &observablesHistory);
1322             }
1323             if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && MASTER(cr))
1324             {
1325                 init_pull_output_files(inputrec->pull_work,
1326                                        filenames.size(), filenames.data(), oenv,
1327                                        continuationOptions);
1328             }
1329         }
1330
1331         std::unique_ptr<EnforcedRotation> enforcedRotation;
1332         if (inputrec->bRot)
1333         {
1334             /* Initialize enforced rotation code */
1335             enforcedRotation = init_rot(fplog,
1336                                         inputrec,
1337                                         filenames.size(),
1338                                         filenames.data(),
1339                                         cr,
1340                                         &atomSets,
1341                                         globalState.get(),
1342                                         &mtop,
1343                                         oenv,
1344                                         mdrunOptions);
1345         }
1346
1347         if (inputrec->eSwapCoords != eswapNO)
1348         {
1349             /* Initialize ion swapping code */
1350             init_swapcoords(fplog, inputrec, opt2fn_master("-swap", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1351                             &mtop, globalState.get(), &observablesHistory,
1352                             cr, &atomSets, oenv, mdrunOptions);
1353         }
1354
1355         /* Let makeConstraints know whether we have essential dynamics constraints.
1356          * TODO: inputrec should tell us whether we use an algorithm, not a file option or the checkpoint
1357          */
1358         bool doEssentialDynamics = (opt2fn_null("-ei", filenames.size(), filenames.data()) != nullptr
1359                                     || observablesHistory.edsamHistory);
1360         auto constr              = makeConstraints(mtop, *inputrec, doEssentialDynamics,
1361                                                    fplog, *mdAtoms->mdatoms(),
1362                                                    cr, ms, nrnb, wcycle, fr->bMolPBC);
1363
1364         if (DOMAINDECOMP(cr))
1365         {
1366             GMX_RELEASE_ASSERT(fr, "fr was NULL while cr->duty was DUTY_PP");
1367             /* This call is not included in init_domain_decomposition mainly
1368              * because fr->cginfo_mb is set later.
1369              */
1370             dd_init_bondeds(fplog, cr->dd, &mtop, vsite.get(), inputrec,
1371                             domdecOptions.checkBondedInteractions,
1372                             fr->cginfo_mb);
1373         }
1374
1375         // TODO This is not the right place to manage the lifetime of
1376         // this data structure, but currently it's the easiest way to
1377         // make it work. Later, it should probably be made/updated
1378         // after the workload for the lifetime of a PP domain is
1379         // understood.
1380         PpForceWorkload ppForceWorkload;
1381
1382         GMX_ASSERT(stopHandlerBuilder_, "Runner must provide StopHandlerBuilder to integrator.");
1383         /* Now do whatever the user wants us to do (how flexible...) */
1384         Integrator integrator {
1385             fplog, cr, ms, mdlog, static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(),
1386             oenv,
1387             mdrunOptions,
1388             vsite.get(), constr.get(),
1389             enforcedRotation ? enforcedRotation->getLegacyEnfrot() : nullptr,
1390             deform.get(),
1391             mdModules->outputProvider(),
1392             inputrec, &mtop,
1393             fcd,
1394             globalState.get(),
1395             &observablesHistory,
1396             mdAtoms.get(), nrnb, wcycle, fr,
1397             &ppForceWorkload,
1398             replExParams,
1399             membed,
1400             walltime_accounting,
1401             std::move(stopHandlerBuilder_)
1402         };
1403         integrator.run(inputrec->eI, doRerun);
1404
1405         if (inputrec->bPull)
1406         {
1407             finish_pull(inputrec->pull_work);
1408         }
1409
1410     }
1411     else
1412     {
1413         GMX_RELEASE_ASSERT(pmedata, "pmedata was NULL while cr->duty was not DUTY_PP");
1414         /* do PME only */
1415         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntPME));
1416         gmx_pmeonly(pmedata, cr, nrnb, wcycle, walltime_accounting, inputrec, pmeRunMode);
1417     }
1418
1419     wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
1420
1421     /* Finish up, write some stuff
1422      * if rerunMD, don't write last frame again
1423      */
1424     finish_run(fplog, mdlog, cr,
1425                inputrec, nrnb, wcycle, walltime_accounting,
1426                fr ? fr->nbv : nullptr,
1427                pmedata,
1428                EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && !isMultiSim(ms));
1429
1430     // clean up cycle counter
1431     wallcycle_destroy(wcycle);
1432
1433     // Free PME data
1434     if (pmedata)
1435     {
1436         gmx_pme_destroy(pmedata);
1437         pmedata = nullptr;
1438     }
1439
1440     // FIXME: this is only here to manually unpin mdAtoms->chargeA_ and state->x,
1441     // before we destroy the GPU context(s) in free_gpu_resources().
1442     // Pinned buffers are associated with contexts in CUDA.
1443     // As soon as we destroy GPU contexts after mdrunner() exits, these lines should go.
1444     mdAtoms.reset(nullptr);
1445     globalState.reset(nullptr);
1446     mdModules.reset(nullptr);   // destruct force providers here as they might also use the GPU
1447
1448     /* Free GPU memory and set a physical node tMPI barrier (which should eventually go away) */
1449     free_gpu_resources(fr, physicalNodeComm);
1450     free_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1451     free_gpu(pmeDeviceInfo);
1452     done_forcerec(fr, mtop.molblock.size(), mtop.groups.grps[egcENER].nr);
1453     sfree(fcd);
1454
1455     if (doMembed)
1456     {
1457         free_membed(membed);
1458     }
1459
1460     gmx_hardware_info_free();
1461
1462     /* Does what it says */
1463     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid, "Finished mdrun", gmx_gettime());
1464     walltime_accounting_destroy(walltime_accounting);
1465     sfree(nrnb);
1466
1467     // Ensure log file content is written
1468     if (logFileHandle)
1469     {
1470         gmx_fio_flush(logFileHandle);
1471     }
1472
1473     /* Reset FPEs (important for unit tests) by disabling them. Assumes no
1474      * exceptions were enabled before function was called. */
1475     if (bEnableFPE)
1476     {
1477         gmx_fedisableexcept();
1478     }
1479
1480     auto rc = static_cast<int>(gmx_get_stop_condition());
1481
1482 #if GMX_THREAD_MPI
1483     /* we need to join all threads. The sub-threads join when they
1484        exit this function, but the master thread needs to be told to
1485        wait for that. */
1486     if (PAR(cr) && MASTER(cr))
1487     {
1488         tMPI_Finalize();
1489     }
1490     //TODO free commrec in MPI simulations
1491     done_commrec(cr);
1492 #endif
1493     return rc;
1494 }
1495
1496 Mdrunner::~Mdrunner()
1497 {
1498     // Clean up of the Manager.
1499     // This will end up getting called on every thread-MPI rank, which is unnecessary,
1500     // but okay as long as threads synchronize some time before adding or accessing
1501     // a new set of restraints.
1502     if (restraintManager_)
1503     {
1504         restraintManager_->clear();
1505         GMX_ASSERT(restraintManager_->countRestraints() == 0,
1506                    "restraints added during runner life time should be cleared at runner destruction.");
1507     }
1508 };
1509
1510 void Mdrunner::addPotential(std::shared_ptr<gmx::IRestraintPotential> puller,
1511                             std::string                               name)
1512 {
1513     GMX_ASSERT(restraintManager_, "Mdrunner must have a restraint manager.");
1514     // Not sure if this should be logged through the md logger or something else,
1515     // but it is helpful to have some sort of INFO level message sent somewhere.
1516     //    std::cout << "Registering restraint named " << name << std::endl;
1517
1518     // When multiple restraints are used, it may be wasteful to register them separately.
1519     // Maybe instead register an entire Restraint Manager as a force provider.
1520     restraintManager_->addToSpec(std::move(puller),
1521                                  std::move(name));
1522 }
1523
1524 Mdrunner::Mdrunner(Mdrunner &&) noexcept = default;
1525
1526 //NOLINTNEXTLINE(performance-noexcept-move-constructor) working around GCC bug 58265
1527 Mdrunner &Mdrunner::operator=(Mdrunner && /*handle*/) noexcept(BUGFREE_NOEXCEPT_STRING) = default;
1528
1529 class Mdrunner::BuilderImplementation
1530 {
1531     public:
1532         BuilderImplementation() = delete;
1533         explicit BuilderImplementation(SimulationContext* context);
1534         ~BuilderImplementation();
1535
1536         BuilderImplementation &setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions &options,
1537                                                     real                forceWarningThreshold);
1538
1539         void addDomdec(const DomdecOptions &options);
1540
1541         void addVerletList(int nstlist);
1542
1543         void addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params);
1544
1545         void addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim);
1546
1547         void addNonBonded(const char* nbpu_opt);
1548
1549         void addPME(const char* pme_opt_, const char* pme_fft_opt_);
1550
1551         void addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt);
1552
1553         void addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions);
1554
1555         void addFilenames(ArrayRef <const t_filenm> filenames);
1556
1557         void addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment);
1558
1559         void addLogFile(t_fileio *logFileHandle);
1560
1561         void addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder);
1562
1563         Mdrunner build();
1564
1565     private:
1566         // Default parameters copied from runner.h
1567         // \todo Clarify source(s) of default parameters.
1568
1569         const char* nbpu_opt_    = nullptr;
1570         const char* pme_opt_     = nullptr;
1571         const char* pme_fft_opt_ = nullptr;
1572         const char *bonded_opt_  = nullptr;
1573
1574         MdrunOptions                          mdrunOptions_;
1575
1576         DomdecOptions                         domdecOptions_;
1577
1578         ReplicaExchangeParameters             replicaExchangeParameters_;
1579
1580         //! Command-line override for the duration of a neighbor list with the Verlet scheme.
1581         int         nstlist_ = 0;
1582
1583         //! Non-owning multisim communicator handle.
1584         std::unique_ptr<gmx_multisim_t*>      multisim_ = nullptr;
1585
1586         //! Print a warning if any force is larger than this (in kJ/mol nm).
1587         real forceWarningThreshold_ = -1;
1588
1589         /*! \brief  Non-owning pointer to SimulationContext (owned and managed by client)
1590          *
1591          * \internal
1592          * \todo Establish robust protocol to make sure resources remain valid.
1593          * SimulationContext will likely be separated into multiple layers for
1594          * different levels of access and different phases of execution. Ref
1595          * https://redmine.gromacs.org/issues/2375
1596          * https://redmine.gromacs.org/issues/2587
1597          */
1598         SimulationContext* context_ = nullptr;
1599
1600         //! \brief Parallelism information.
1601         gmx_hw_opt_t hardwareOptions_;
1602
1603         //! filename options for simulation.
1604         ArrayRef<const t_filenm> filenames_;
1605
1606         /*! \brief Handle to output environment.
1607          *
1608          * \todo gmx_output_env_t needs lifetime management.
1609          */
1610         gmx_output_env_t*    outputEnvironment_ = nullptr;
1611
1612         /*! \brief Non-owning handle to MD log file.
1613          *
1614          * \todo Context should own output facilities for client.
1615          * \todo Improve log file handle management.
1616          * \internal
1617          * Code managing the FILE* relies on the ability to set it to
1618          * nullptr to check whether the filehandle is valid.
1619          */
1620         t_fileio* logFileHandle_ = nullptr;
1621
1622         /*!
1623          * \brief Builder for simulation stop signal handler.
1624          */
1625         std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> stopHandlerBuilder_ = nullptr;
1626 };
1627
1628 Mdrunner::BuilderImplementation::BuilderImplementation(SimulationContext* context) :
1629     context_(context)
1630 {
1631     GMX_ASSERT(context_, "Bug found. It should not be possible to construct builder without a valid context.");
1632 }
1633
1634 Mdrunner::BuilderImplementation::~BuilderImplementation() = default;
1635
1636 Mdrunner::BuilderImplementation &
1637 Mdrunner::BuilderImplementation::setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions &options,
1638                                                       real                forceWarningThreshold)
1639 {
1640     mdrunOptions_          = options;
1641     forceWarningThreshold_ = forceWarningThreshold;
1642     return *this;
1643 }
1644
1645 void Mdrunner::BuilderImplementation::addDomdec(const DomdecOptions &options)
1646 {
1647     domdecOptions_ = options;
1648 }
1649
1650 void Mdrunner::BuilderImplementation::addVerletList(int nstlist)
1651 {
1652     nstlist_ = nstlist;
1653 }
1654
1655 void Mdrunner::BuilderImplementation::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params)
1656 {
1657     replicaExchangeParameters_ = params;
1658 }
1659
1660 void Mdrunner::BuilderImplementation::addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim)
1661 {
1662     multisim_ = std::make_unique<gmx_multisim_t*>(multisim);
1663 }
1664
1665 Mdrunner Mdrunner::BuilderImplementation::build()
1666 {
1667     auto newRunner = Mdrunner();
1668
1669     GMX_ASSERT(context_, "Bug found. It should not be possible to call build() without a valid context.");
1670
1671     newRunner.mdrunOptions    = mdrunOptions_;
1672     newRunner.domdecOptions   = domdecOptions_;
1673
1674     // \todo determine an invariant to check or confirm that all gmx_hw_opt_t objects are valid
1675     newRunner.hw_opt          = hardwareOptions_;
1676
1677     // No invariant to check. This parameter exists to optionally override other behavior.
1678     newRunner.nstlist_cmdline = nstlist_;
1679
1680     newRunner.replExParams    = replicaExchangeParameters_;
1681
1682     newRunner.filenames = filenames_;
1683
1684     GMX_ASSERT(context_->communicationRecord_, "SimulationContext communications not initialized.");
1685     newRunner.cr = context_->communicationRecord_;
1686
1687     if (multisim_)
1688     {
1689         // nullptr is a valid value for the multisim handle, so we don't check the pointed-to pointer.
1690         newRunner.ms = *multisim_;
1691     }
1692     else
1693     {
1694         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addMultiSim() is required before build()"));
1695     }
1696
1697     // \todo Clarify ownership and lifetime management for gmx_output_env_t
1698     // \todo Update sanity checking when output environment has clearly specified invariants.
1699     // Initialization and default values for oenv are not well specified in the current version.
1700     if (outputEnvironment_)
1701     {
1702         newRunner.oenv  = outputEnvironment_;
1703     }
1704     else
1705     {
1706         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment() is required before build()"));
1707     }
1708
1709     newRunner.logFileHandle = logFileHandle_;
1710
1711     if (nbpu_opt_)
1712     {
1713         newRunner.nbpu_opt    = nbpu_opt_;
1714     }
1715     else
1716     {
1717         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addNonBonded() is required before build()"));
1718     }
1719
1720     if (pme_opt_ && pme_fft_opt_)
1721     {
1722         newRunner.pme_opt     = pme_opt_;
1723         newRunner.pme_fft_opt = pme_fft_opt_;
1724     }
1725     else
1726     {
1727         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addElectrostatics() is required before build()"));
1728     }
1729
1730     if (bonded_opt_)
1731     {
1732         newRunner.bonded_opt = bonded_opt_;
1733     }
1734     else
1735     {
1736         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment() is required before build()"));
1737     }
1738
1739     newRunner.restraintManager_ = std::make_unique<gmx::RestraintManager>();
1740
1741     if (stopHandlerBuilder_)
1742     {
1743         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::move(stopHandlerBuilder_);
1744     }
1745     else
1746     {
1747         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::make_unique<StopHandlerBuilder>();
1748     }
1749
1750     return newRunner;
1751 }
1752
1753 void Mdrunner::BuilderImplementation::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1754 {
1755     nbpu_opt_ = nbpu_opt;
1756 }
1757
1758 void Mdrunner::BuilderImplementation::addPME(const char* pme_opt,
1759                                              const char* pme_fft_opt)
1760 {
1761     pme_opt_     = pme_opt;
1762     pme_fft_opt_ = pme_fft_opt;
1763 }
1764
1765 void Mdrunner::BuilderImplementation::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
1766 {
1767     bonded_opt_ = bonded_opt;
1768 }
1769
1770 void Mdrunner::BuilderImplementation::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions)
1771 {
1772     hardwareOptions_ = hardwareOptions;
1773 }
1774
1775 void Mdrunner::BuilderImplementation::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
1776 {
1777     filenames_ = filenames;
1778 }
1779
1780 void Mdrunner::BuilderImplementation::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
1781 {
1782     outputEnvironment_ = outputEnvironment;
1783 }
1784
1785 void Mdrunner::BuilderImplementation::addLogFile(t_fileio *logFileHandle)
1786 {
1787     logFileHandle_ = logFileHandle;
1788 }
1789
1790 void Mdrunner::BuilderImplementation::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
1791 {
1792     stopHandlerBuilder_ = std::move(builder);
1793 }
1794
1795 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(compat::not_null<SimulationContext*> context) :
1796     impl_ {std::make_unique<Mdrunner::BuilderImplementation>(context)}
1797 {
1798 }
1799
1800 MdrunnerBuilder::~MdrunnerBuilder() = default;
1801
1802 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addSimulationMethod(const MdrunOptions &options,
1803                                                       real                forceWarningThreshold)
1804 {
1805     impl_->setExtraMdrunOptions(options, forceWarningThreshold);
1806     return *this;
1807 }
1808
1809 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addDomainDecomposition(const DomdecOptions &options)
1810 {
1811     impl_->addDomdec(options);
1812     return *this;
1813 }
1814
1815 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addNeighborList(int nstlist)
1816 {
1817     impl_->addVerletList(nstlist);
1818     return *this;
1819 }
1820
1821 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params)
1822 {
1823     impl_->addReplicaExchange(params);
1824     return *this;
1825 }
1826
1827 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim)
1828 {
1829     impl_->addMultiSim(multisim);
1830     return *this;
1831 }
1832
1833 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1834 {
1835     impl_->addNonBonded(nbpu_opt);
1836     return *this;
1837 }
1838
1839 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addElectrostatics(const char* pme_opt,
1840                                                     const char* pme_fft_opt)
1841 {
1842     // The builder method may become more general in the future, but in this version,
1843     // parameters for PME electrostatics are both required and the only parameters
1844     // available.
1845     if (pme_opt && pme_fft_opt)
1846     {
1847         impl_->addPME(pme_opt, pme_fft_opt);
1848     }
1849     else
1850     {
1851         GMX_THROW(gmx::InvalidInputError("addElectrostatics() arguments must be non-null pointers."));
1852     }
1853     return *this;
1854 }
1855
1856 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
1857 {
1858     impl_->addBondedTaskAssignment(bonded_opt);
1859     return *this;
1860 }
1861
1862 Mdrunner MdrunnerBuilder::build()
1863 {
1864     return impl_->build();
1865 }
1866
1867 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions)
1868 {
1869     impl_->addHardwareOptions(hardwareOptions);
1870     return *this;
1871 }
1872
1873 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
1874 {
1875     impl_->addFilenames(filenames);
1876     return *this;
1877 }
1878
1879 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
1880 {
1881     impl_->addOutputEnvironment(outputEnvironment);
1882     return *this;
1883 }
1884
1885 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addLogFile(t_fileio *logFileHandle)
1886 {
1887     impl_->addLogFile(logFileHandle);
1888     return *this;
1889 }
1890
1891 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
1892 {
1893     impl_->addStopHandlerBuilder(std::move(builder));
1894     return *this;
1895 }
1896
1897 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(MdrunnerBuilder &&) noexcept = default;
1898
1899 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::operator=(MdrunnerBuilder &&) noexcept = default;
1900
1901 } // namespace gmx