src/gromacs/modularsimulator/modularsimulatorinterfaces.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \defgroup module_modularsimulator The modular simulator
  36  * \ingroup group_mdrun
  37  * \brief
  38  * The modular simulator improves extensibility, adds Monte Carlo capabilities,
  39  * promotes data locality and communication via interfaces, supports
  40  * multi-stepping integrators, and paves the way for some task parallelism.
  41  *
  42  * For more information, see page_modularsimulator
  43  * \todo Can we link to `docs/doxygen/lib/modularsimulator.md`?
  44  *
  45  * \author Pascal Merz <pascal.merz@me.com>
  46  */
  47 /*! \libinternal \file
  48  * \brief
  49  * Declares the main interfaces used by the modular simulator
  50  *
  51  * \author Pascal Merz <pascal.merz@me.com>
  52  * \ingroup module_modularsimulator
  53  */
  54 #ifndef GMX_MODULARSIMULATOR_MODULARSIMULATORINTERFACES_H
  55 #define GMX_MODULARSIMULATOR_MODULARSIMULATORINTERFACES_H
  56
  57 #include <functional>
  58 #include <memory>
  59
  60 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  61
  62 struct gmx_localtop_t;
  63 struct gmx_mdoutf;
  64 class t_state;
  65
  66 namespace gmx
  67 {
  68 template<class Signaller>
  69 class SignallerBuilder;
  70 class NeighborSearchSignaller;
  71 class LastStepSignaller;
  72 class LoggingSignaller;
  73 class EnergySignaller;
  74
  75 //! \addtogroup module_modularsimulator
  76 //! \{
  77
  78 // This will make signatures more legible
  79 //! Step number
  80 using Step = int64_t;
  81 //! Simulation time
  82 using Time = double;
  83
  84 //! The function type that can be scheduled to be run during the simulator run
  85 typedef std::function<void()> SimulatorRunFunction;
  86 //! Pointer to the function type that can be scheduled to be run during the simulator run
  87 typedef std::unique_ptr<SimulatorRunFunction> SimulatorRunFunctionPtr;
  88
  89 //! The function type that allows to register run functions
  90 typedef std::function<void(SimulatorRunFunctionPtr)> RegisterRunFunction;
  91 //! Pointer to the function type that allows to register run functions
  92 typedef std::unique_ptr<RegisterRunFunction> RegisterRunFunctionPtr;
  93
  94 /*! \libinternal
  95  * \brief The general interface for elements of the modular simulator
  96  *
  97  * Setup and teardown are run once at the beginning of the simulation
  98  * (after all elements were set up, before the first step) and at the
  99  * end of the simulation (after the last step, before elements are
 100  * destructed), respectively. `registerRun` is periodically called
 101  * during the run, at which point elements can decide to register one
 102  * or more run functions to be run at a specific time / step. Registering
 103  * more than one function is especially valuable for collective elements
 104  * consisting of more than one single element.
 105  */
 106 class ISimulatorElement
 107 {
 108 public:
 109     /*! \brief Query whether element wants to run at step / time
 110      *
 111      * Element can register one or more functions to be run at that step through
 112      * the registration pointer.
 113      */
 114     virtual void scheduleTask(Step, Time, const RegisterRunFunctionPtr&) = 0;
 115     //! Method guaranteed to be called after construction, before simulator run
 116     virtual void elementSetup() = 0;
 117     //! Method guaranteed to be called after simulator run, before deconstruction
 118     virtual void elementTeardown() = 0;
 119     //! Standard virtual destructor
 120     virtual ~ISimulatorElement() = default;
 121 };
 122
 123 /*! \libinternal
 124  * \brief The general Signaller interface
 125  *
 126  * Signallers are run at the beginning of Simulator steps, informing
 127  * their clients about the upcoming step. This allows clients to
 128  * decide if they need to be activated at this time step, and what
 129  * functions they will have to run. Examples for signallers
 130  * include the neighbor-search signaller (informs its clients when a
 131  * neighbor-searching step is about to happen) or the logging
 132  * signaller (informs its clients when a logging step is about to
 133  * happen).
 134  *
 135  * We expect all signallers to accept registration from clients, but
 136  * different signallers might handle that differently, so we don't
 137  * include this in the interface.
 138  */
 139 class ISignaller
 140 {
 141 public:
 142     //! Function run before every step of scheduling
 143     virtual void signal(Step, Time) = 0;
 144     //! Method guaranteed to be called after construction, before simulator run
 145     virtual void signallerSetup() = 0;
 146     //! Standard virtual destructor
 147     virtual ~ISignaller() = default;
 148 };
 149
 150 //! The function type that can be registered to signallers for callback
 151 typedef std::function<void(Step, Time)> SignallerCallback;
 152 //! Pointer to the function type that can be registered to signallers for callback
 153 typedef std::unique_ptr<SignallerCallback> SignallerCallbackPtr;
 154
 155 /*! \libinternal
 156  * \brief Interface for clients of the NeighborSearchSignaller
 157  *
 158  * Defining registerNSCallback allows clients to register an arbitrary callback
 159  * for notification by the signaller.
 160  */
 161 class INeighborSearchSignallerClient
 162 {
 163 public:
 164     //! @cond
 165     // (doxygen doesn't like these...)
 166     //! Allow builder of NeighborSearchSignaller to ask for callback registration
 167     friend class SignallerBuilder<NeighborSearchSignaller>;
 168     //! @endcond
 169     //! Standard virtual destructor
 170     virtual ~INeighborSearchSignallerClient() = default;
 171
 172 protected:
 173     //! Return callback to NeighborSearchSignaller
 174     virtual SignallerCallbackPtr registerNSCallback() = 0;
 175 };
 176
 177 /*! \libinternal
 178  * \brief Interface for clients of the LastStepSignaller
 179  *
 180  * Defining registerLastStepCallback allows clients to register an arbitrary callback
 181  * for notification by the signaller.
 182  */
 183 class ILastStepSignallerClient
 184 {
 185 public:
 186     //! @cond
 187     // (doxygen doesn't like these...)
 188     //! Allow builder of LastStepSignaller to ask for callback registration
 189     friend class SignallerBuilder<LastStepSignaller>;
 190     //! @endcond
 191     //! Standard virtual destructor
 192     virtual ~ILastStepSignallerClient() = default;
 193
 194 protected:
 195     //! Return callback to LastStepSignaller
 196     virtual SignallerCallbackPtr registerLastStepCallback() = 0;
 197 };
 198
 199 /*! \libinternal
 200  * \brief Interface for clients of the LoggingSignaller
 201  *
 202  * Defining registerLoggingCallback allows clients to register an arbitrary callback
 203  * for notification by the signaller.
 204  */
 205 class ILoggingSignallerClient
 206 {
 207 public:
 208     //! @cond
 209     // (doxygen doesn't like these...)
 210     //! Allow builder of LoggingSignaller to ask for callback registration
 211     friend class SignallerBuilder<LoggingSignaller>;
 212     //! @endcond
 213     //! Standard virtual destructor
 214     virtual ~ILoggingSignallerClient() = default;
 215
 216 protected:
 217     //! Return callback to LoggingSignaller
 218     virtual SignallerCallbackPtr registerLoggingCallback() = 0;
 219 };
 220
 221 //! The energy events signalled by the EnergySignaller
 222 enum class EnergySignallerEvent
 223 {
 224     EnergyCalculationStep,
 225     VirialCalculationStep,
 226     FreeEnergyCalculationStep
 227 };
 228
 229 /*! \libinternal
 230  * \brief Interface for clients of the EnergySignaller
 231  *
 232  * Defining registerEnergyCallback allows clients to register an arbitrary callback
 233  * for notification by the signaller for every EnergySignallerEvent separately.
 234  */
 235 class IEnergySignallerClient
 236 {
 237 public:
 238     //! @cond
 239     // (doxygen doesn't like these...)
 240     //! Allow builder of EnergySignaller to ask for callback registration
 241     friend class SignallerBuilder<EnergySignaller>;
 242     //! @endcond
 243     //! Standard virtual destructor
 244     virtual ~IEnergySignallerClient() = default;
 245
 246 protected:
 247     //! Return callback to EnergySignaller
 248     virtual SignallerCallbackPtr registerEnergyCallback(EnergySignallerEvent) = 0;
 249 };
 250
 251 //! The trajectory writing events
 252 enum class TrajectoryEvent
 253 {
 254     StateWritingStep,
 255     EnergyWritingStep
 256 };
 257
 258 /*! \libinternal
 259  * \brief Interface for signaller clients of the TrajectoryElement
 260  *
 261  * Defining registerTrajectorySignallerCallback allows clients to register an arbitrary
 262  * callback for notification by the signaller for every TrajectoryEvent separately.
 263  */
 264 class ITrajectorySignallerClient
 265 {
 266 public:
 267     //! @cond
 268     // (doxygen doesn't like these...)
 269     //! Allow builder of TrajectoryElement to ask for callback registration
 270     friend class TrajectoryElementBuilder;
 271     //! @endcond
 272     //! Standard virtual destructor
 273     virtual ~ITrajectorySignallerClient() = default;
 274
 275 protected:
 276     //! Return callback to TrajectoryElement
 277     virtual SignallerCallbackPtr registerTrajectorySignallerCallback(TrajectoryEvent) = 0;
 278 };
 279
 280 /* Trajectory writing clients are handed a pointer to the output file handler,
 281  * allowing them to write their own trajectory contribution.
 282  *
 283  * As trajectory writing and log writing cannot currently be separated for the
 284  * energy, clients also get informed whether this is a trajectory-writing step
 285  * and / or a log-writing step.
 286  */
 287 //! Function type for trajectory writing clients
 288 typedef std::function<void(gmx_mdoutf*, Step, Time, bool, bool)> ITrajectoryWriterCallback;
 289 //! Pointer to the function type for trajectory writing clients
 290 typedef std::unique_ptr<ITrajectoryWriterCallback> ITrajectoryWriterCallbackPtr;
 291
 292 /*! \libinternal
 293  * \brief Interface for writer clients of the TrajectoryElement
 294  *
 295  * Defining registerTrajectoryWriterCallback allows clients to register an arbitrary
 296  * callback called by the TrajectoryElement when trajectory writing happens.
 297  *
 298  * Setup and teardown methods allow clients to perform tasks with a valid output pointer.
 299  */
 300 class ITrajectoryWriterClient
 301 {
 302 public:
 303     //! @cond
 304     // (doxygen doesn't like these...)
 305     //! Allow TrajectoryElement to ask for callback registration
 306     friend class TrajectoryElement;
 307     //! @endcond
 308     //! Standard virtual destructor
 309     virtual ~ITrajectoryWriterClient() = default;
 310
 311 protected:
 312     //! Setup method with valid output pointer.
 313     virtual void trajectoryWriterSetup(gmx_mdoutf* outf) = 0;
 314     //! Teardown method with valid output pointer.
 315     virtual void trajectoryWriterTeardown(gmx_mdoutf* outf) = 0;
 316
 317     //! Return callback to TrajectoryElement
 318     virtual ITrajectoryWriterCallbackPtr registerTrajectoryWriterCallback(TrajectoryEvent) = 0;
 319 };
 320
 321 /*! \libinternal
 322  * \brief Client requiring read access to the local topology
 323  *
 324  */
 325 class ITopologyHolderClient
 326 {
 327 public:
 328     //! @cond
 329     // (doxygen doesn't like these...)
 330     //! Allow TopologyHolder to set new topology
 331     friend class TopologyHolder;
 332     //! @endcond
 333     //! Standard virtual destructor
 334     virtual ~ITopologyHolderClient() = default;
 335
 336 protected:
 337     //! Pass pointer to new local topology
 338     virtual void setTopology(const gmx_localtop_t*) = 0;
 339 };
 340
 341 /*! \libinternal
 342  * \brief Client that needs to store data during checkpointing
 343  *
 344  * The current checkpointing helper uses the legacy t_state object to collect
 345  * the data to be checkpointed. Clients get queried for their contributions
 346  * using pointers to t_state objects.
 347  * \todo Add checkpoint reading
 348  * \todo Evolve this to a model in which the checkpoint helper passes a file
 349  *       pointer rather than a t_state object, and the clients are responsible
 350  *       to read / write.
 351  */
 352 class ICheckpointHelperClient
 353 {
 354 public:
 355     //! @cond
 356     // (doxygen doesn't like these...)
 357     //! Allow CheckpointHelper to interact
 358     friend class CheckpointHelper;
 359     //! @endcond
 360     //! Standard virtual destructor
 361     virtual ~ICheckpointHelperClient() = default;
 362
 363 protected:
 364     //! Write checkpoint
 365     virtual void writeCheckpoint(t_state* localState, t_state* globalState) = 0;
 366 };
 367 //! /}
 368 } // namespace gmx
 369
 370 #endif // GMX_MODULARSIMULATOR_MODULARSIMULATORINTERFACES_H